單箱多室寬幅高架橋梁端底板應(yīng)力研究

楊紅成，蔣倫崗

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017）

1 引言

單箱多室現(xiàn)澆連續(xù)梁具有良好的受力性能， 在市政高架橋中，其腹板鋼束上彎至頂板進(jìn)行張拉方式被廣泛采用，導(dǎo)致端橫梁附近底板存在應(yīng)力分布不均勻，邊腹板近梁端底板、腹板的部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力。 針對(duì)該問題，傳統(tǒng)單梁模型計(jì)算不能真實(shí)地反映其受力狀況， 橫梁鋼束和橋面板鋼束的應(yīng)力影響設(shè)計(jì)中不能忽略，需通過實(shí)體有限元模型，對(duì)底板受力狀態(tài)進(jìn)行精確模擬，對(duì)腹板鋼束彎起角度、底板配置鋼束等進(jìn)行控制，以改善底板應(yīng)力。 本文基于某市政高架橋，分別建立橋梁博士和ANSYS 有限元模型， 對(duì)箱梁梁端底板應(yīng)力進(jìn)行分析，探究應(yīng)力控制的方法及措施。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程簡(jiǎn)介

某市政高架橋，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩，跨徑組合為3×30 m，設(shè)計(jì)車道為雙向6車道。箱梁采用單箱三室斷面形式，箱梁梁高為2 m，頂寬25.5 m，懸臂長(zhǎng)度為4 m；邊腹板采用斜腹板布置，斜率4∶3，中腹板豎直；跨中頂板及底板厚0.25 m，腹板厚0.5 m；邊箱頂板凈寬4.8 m，中箱頂板凈寬5.5 m；端橫梁、中橫梁寬度分別為1.8 m、2.5 m。 每道橫梁下橫橋向布置兩個(gè)支座，支座間距為6 m，設(shè)計(jì)荷載采用城-A 級(jí)，箱梁斷面。

箱梁采用雙向預(yù)應(yīng)力體系， 為降低預(yù)應(yīng)力鋼束用量，箱梁縱向鋼束采用常規(guī)的通長(zhǎng)腹板束（雙排6-15?15 mm 鋼絞線）、負(fù)彎矩頂板短束（單個(gè)墩頂8-12?15 mm 鋼絞線）及底板短束（單跨8-7?15 mm 鋼絞線）進(jìn)行配置。 由于上部采用現(xiàn)澆支架施工，為使各聯(lián)間施工互不干擾，加快施工進(jìn)度，將腹板鋼束上彎18°至頂板，分3 批進(jìn)行錨固，負(fù)彎矩頂板束采用兩端張拉齒板錨固， 邊跨底板束則采用單端張拉齒板錨固，縱向鋼束布置如圖1 所示。 橋面板及橫梁根據(jù)需要分別布設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

圖1 箱梁斷面及鋼束布置圖

2.2 傳統(tǒng)單梁模型計(jì)算分析

本文首先通過橋梁博士建立共計(jì)103 個(gè)節(jié)點(diǎn)，102 個(gè)單元的單梁模型，并查看該橋底板應(yīng)力分布，同時(shí)考慮恒載、預(yù)應(yīng)力、溫度梯度、支座沉降等荷載作用。 根據(jù)CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]規(guī)定，按最不利組合，在承載能力極限組合狀態(tài)下，主梁抗彎滿足規(guī)范要求；在正常使用極限短期效應(yīng)組合下，主梁下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，短期效應(yīng)組合下縱梁截面主拉應(yīng)力均較小，最大主拉應(yīng)力為-0.82 MPa，小于規(guī)范允許值-1.33 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合下主梁上下緣壓應(yīng)力最大為12.1 MPa，小于規(guī)范允許值16.2 MPa，如表1 所示，通過單梁模型分析主梁抗彎、抗裂等均滿足規(guī)范要求。

表1 短期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算表

2.3 實(shí)體有限元計(jì)算分析

經(jīng)橋梁博士建模計(jì)算， 主梁各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，對(duì)于寬橋多室斷面，考慮到單梁不能考慮橫向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的局限性， 為了更加真實(shí)地反映實(shí)際箱梁的受力狀況，擬對(duì)梁體結(jié)構(gòu)采用實(shí)體分析，以此來查看各部分結(jié)構(gòu)受力。 本節(jié)將采用三維有限元軟件ANSYS， 通過編寫APDL（ANSYS Parametric Design Language）[4]命令流，進(jìn)行建模分析，以期對(duì)結(jié)構(gòu)各個(gè)部分受力狀態(tài)精確模擬。

2.3.1 有限元建模

通過大型有限元軟件ANSYS 建模，對(duì)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。主梁采用實(shí)體單元SOLID45，預(yù)應(yīng)力鋼束采用桿單元LINK8，二期恒載采用面荷載單元SURF154，全橋共計(jì)202 862 個(gè)單元，包括混凝土實(shí)體單元153 400 個(gè)，預(yù)應(yīng)力筋單元24 830 個(gè)，二期面荷載單元24 632 個(gè)。 此外，通過橋梁博士繪制邊跨影響線，確定車輛布載形式，考慮在汽車荷載最不利荷載工況下，分析探究橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況。

2.3.2 工況分析

本節(jié)將分析車輛、縱梁、橫梁、橋面板在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中所承擔(dān)的應(yīng)力狀態(tài)，為了方便描述，將工況記為工況1、工況2、工況3、工況4。 其中，工況1——恒載+ 縱向鋼束，工況2——恒載+ 縱向鋼束+ 汽車荷載，工況3——恒載+ 縱向鋼束+ 汽車荷載+ 橫梁鋼束， 工況4——恒載+ 縱向鋼束+ 汽車荷載+橫梁鋼束+橋面板鋼束，具體結(jié)果詳見表2。

表2 工況分析表

從表2 可以看出， 工況1 下的橋梁結(jié)構(gòu)， 底板均為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最小值為0.526 MPa；工況2 中，最不利情況下的車輛布載，使得壓應(yīng)力縮小到0.057 MPa，即車輛荷載影響值約為0.47 MPa，且應(yīng)力極值變化區(qū)域及長(zhǎng)度基本不變；工況3 中添加了橫梁鋼束，橋梁底板出現(xiàn)了約0.885 MPa 的拉應(yīng)力，應(yīng)力值變化約0.95 MPa， 應(yīng)力極值變化區(qū)域有所增加但長(zhǎng)度基本不變，區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離橋端部，而相應(yīng)位置箱梁中心處壓應(yīng)力儲(chǔ)備約2.145～3.658 MPa；工況4 中橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束張拉使得橋梁底板拉應(yīng)力值增大到3.061 MPa， 應(yīng)力值變化大約2.2 MPa，應(yīng)力極值變化區(qū)域及長(zhǎng)度均有增加，與工況3 相比變化區(qū)域初始位置基本不變， 而相應(yīng)位置箱梁中心處壓應(yīng)力儲(chǔ)備約1.639～3.205 MPa。

由分析結(jié)果可以得出， 橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束在本文所述的現(xiàn)澆連續(xù)箱梁中，起到很大的影響作用，橫梁鋼束次之，車輛荷載影響次之，故單梁模型在模擬時(shí)存在失真，并不能完全反映真實(shí)的邊腹板受力狀況，以及多種荷載的疊加效應(yīng)。

2.4 擬訂改進(jìn)措施

寬幅現(xiàn)澆連續(xù)箱梁近梁端處底板應(yīng)力分布不均， 且有部分拉應(yīng)力，而引起拉應(yīng)力的變化因素較多，故如何有效地改進(jìn)橋梁受力是亟待解決的問題。 針對(duì)上述現(xiàn)澆連續(xù)箱梁存在底板拉應(yīng)力問題，本節(jié)將從結(jié)構(gòu)本身和配筋兩個(gè)方面，擬訂措施以達(dá)到改善底板應(yīng)力的目的。 對(duì)于箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，由于該項(xiàng)目需與其他已建項(xiàng)目外觀一致，模板一致，致使腹板斜率、懸臂長(zhǎng)度、箱室間距等方面無法進(jìn)行改變。 橋面板橫向預(yù)應(yīng)力受懸臂長(zhǎng)度控制，調(diào)整空間不大。 因此，本節(jié)將在結(jié)構(gòu)方面擬定改變橫梁寬度的措施，分析底板應(yīng)力改善程度。 同時(shí)擬在調(diào)整配束方面的兩個(gè)措施： 改變腹板鋼束彎起角度和增減邊腹板底板鋼束， 來探究其是否能夠有效地緩解底板出現(xiàn)拉應(yīng)力的問題。

2.4.1 調(diào)整橫梁寬度

在工況4 的基礎(chǔ)上，僅將橫梁寬度由原來的1.8 m 調(diào)整為2.2 m，重新建立有限元模型計(jì)算，得到的底板應(yīng)力狀況見表3。

表3 橫梁寬度工況表

表3 中可以看出，橫梁寬度的增大，使得底板局部拉應(yīng)力減少大約0.22 MPa，應(yīng)力極值有所改善，但是減小幅度并不顯著，應(yīng)力極值變化區(qū)域有所增加，但長(zhǎng)度基本不變。

2.4.2 改變腹板鋼束彎起角度

同樣在工況4 的基礎(chǔ)上， 將腹板鋼束彎起角度從原先的18°，分別調(diào)整為22°、25°，重新建立有限元模型計(jì)算，得到的底板應(yīng)力狀況見表4。

表4 腹板鋼束彎起角度工況表

從表4 可以看出，隨著腹板彎起角度的增大，應(yīng)力極值變化區(qū)域也相應(yīng)減少，應(yīng)力極值變化長(zhǎng)度也在減小，到25°時(shí)變化長(zhǎng)度趨于平緩， 此外， 底板應(yīng)力極值也相較于增大橫梁寬度，減小幅度更為明顯，故此，現(xiàn)澆連續(xù)寬箱梁在設(shè)計(jì)時(shí)，腹板彎起角度可以適當(dāng)放大到22°～25°，可以有效地減小底板區(qū)域出現(xiàn)的拉應(yīng)力。

2.4.3 增減底板鋼束

底板鋼束對(duì)于保證箱梁結(jié)構(gòu)底板受力， 起到不可或缺的作用，其中，對(duì)于橋梁底板應(yīng)力分配最為關(guān)鍵，然而底板鋼束配置數(shù)目卻沒有明確的界定，由于邊腹板底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，而中腹板底板均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，故本節(jié)將保持工況4 的荷載，設(shè)置邊腹板底板鋼束分別為1～4 根， 來探究底板鋼束的數(shù)目對(duì)于底板應(yīng)力情況的影響，得到的底板應(yīng)力狀況見表5。

表5 底板鋼束數(shù)目工況表

從表5 可以看出，隨著底板鋼束數(shù)目的增加，應(yīng)力極值變化區(qū)域及長(zhǎng)度、底板應(yīng)力極值均先減小后增大。 底板鋼束單端錨固，預(yù)應(yīng)力的傳遞對(duì)近梁端邊腹板底應(yīng)力影響有限，鋼束離邊腹板越遠(yuǎn)，影響越小，且受混凝土泊松比的影響，增加底板束還會(huì)加劇邊腹板底處的拉應(yīng)力。 因此，對(duì)現(xiàn)澆連續(xù)梁底板鋼束的設(shè)計(jì)數(shù)目應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，合理采用。 同時(shí)，從對(duì)比可以看出，底板鋼束數(shù)目配置過多或者過小，都會(huì)影響底板的拉應(yīng)力。

3 結(jié)論

1）對(duì)于該類寬幅、多室現(xiàn)澆箱梁,傳統(tǒng)的單梁橋博模型，存在著應(yīng)力失真的問題，無法準(zhǔn)確地描述橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況，因此，在橋梁設(shè)計(jì)中，引入ANSYS 等有限元實(shí)體分析軟件是有必要的。

2）對(duì)于橫梁鋼束和橋面板鋼束的應(yīng)力影響設(shè)計(jì)中不能忽略，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮其對(duì)底板應(yīng)力的不利作用。

3）采用上彎腹板束至頂板錨固的現(xiàn)澆連續(xù)箱梁來說，腹板鋼束彎起角度不宜過小，宜擴(kuò)大到22°～25°，在一定程度上可以改善底板的受力狀況。 同時(shí)可以避免施工現(xiàn)場(chǎng)鋼束彎起角度控制不到位而引起的底板拉應(yīng)力增大， 從而有效避免裂縫的產(chǎn)生。

4）邊腹板底板鋼束的根數(shù)不宜設(shè)置過多，應(yīng)根據(jù)受力狀況控制好底板鋼束的數(shù)目。

5）受該種鋼束配置形式的限制，調(diào)整腹板鋼束彎起角度和邊跨底板鋼束數(shù)量， 雖能一定程度上改善邊腹板近梁端底板應(yīng)力，但改善有限。 因此，對(duì)于梁端邊腹板處底板拉應(yīng)力應(yīng)加以重視，除采取上述措施進(jìn)行控制外，建議局部適當(dāng)增加普通鋼筋配置，避免混凝土開裂出現(xiàn)。