劉國強(qiáng)

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司廣州設(shè)計院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

近年來，運營時的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋多數(shù)有跨中下?lián)铣瑯?biāo)及梁體裂縫等問題，車輛通行時的舒適性以及橋梁的耐久性等均受到較大影響。梁體的下?lián)弦约伴_裂是大跨徑混凝土梁橋病害的主要類型[1]。大跨徑混凝土橋梁斜截面開裂的病害問題在承載能力極限狀態(tài)的角度上看主要為抗剪承載力不足的問題，從正常使用極限狀態(tài)的角度上看主要表現(xiàn)在跨中撓度過大或混凝土開裂，而恒載彎矩大于橋梁所配置預(yù)應(yīng)力鋼束是該病害產(chǎn)生的主要原因。截面抗力不足是大跨徑混凝土梁橋下?lián)铣瑯?biāo)或混凝土開裂的根本原因，故在涉及大跨徑混凝土梁橋時應(yīng)從提升結(jié)構(gòu)抗力或降低荷載值入手。增加梁高、配筋率以及預(yù)應(yīng)力是提高抗力的主要手段，一般情況下無法降低公路橋梁活載，只能從恒載入手降低荷載值。本文將針對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的下?lián)喜『?，從上述的設(shè)計角度發(fā)出對其開展分析研究。

1 梁 高

1.1 支點梁高

1.1.1 支座梁高取值

統(tǒng)計完多座橋梁構(gòu)造后，發(fā)現(xiàn)在1/15到1/20范圍內(nèi)取值的梁高偏多，且越小的跨徑下有著越小的梁高與跨徑之比，反之亦然。其原因在于小跨徑橋梁中有較大的活載占比，往往在30%以上，懸臂澆筑工藝對支點截面彎矩最大值有一定的影響，設(shè)計時多以最大懸臂狀態(tài)作為控制要素。恒載在越大的跨徑下有越大的占比，而且因為其表現(xiàn)為非線性的增長，截面高度跨徑比在設(shè)計時往往較大?？鐝絃變化時支座梁高也隨之變化。對于200 m以上跨徑的橋梁而言，懸臂澆筑狀態(tài)下的恒載彎矩難以通過布設(shè)預(yù)應(yīng)力的方式完全抵消。設(shè)計時需盡量確保結(jié)構(gòu)輕量化，一定程度上限制箱梁頂?shù)装搴透拱宓膶捄穸?，無法無線加大三者尺寸，因此受限于結(jié)構(gòu)尺寸所布置的預(yù)應(yīng)力鋼索存在某個極限值[2-4]。強(qiáng)行通過加大截面以布設(shè)更多索孔的方式往往會無法控制結(jié)構(gòu)自重，并不可取。懸臂狀態(tài)下的預(yù)應(yīng)力隨著不斷增加的橋梁跨度逐漸難以將恒載彎矩平衡掉，導(dǎo)致跨中逐漸出現(xiàn)超標(biāo)的下?lián)稀?/p>

1.1.2 梁高對位移的影響

(1) 截面剛度：以4.3～12.8 m的連續(xù)剛構(gòu)斷面為研究對象，計算截面剛度在梁高不同時的值，見表1。

表1 截面高度與截面特性

由表1可知，三次方的梁高與抗彎剛度的比值處于0.202～0.225，基本為一定值，且在高度增加時有所降低。在越大的截面剛度下有越小的變形，且存在相對變大的預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)抗力，同時會在一定程度上改善應(yīng)力狀況。

(2) 支點梁高的選取：對多座已建成橋梁進(jìn)行統(tǒng)計分析可知，以跨徑的1/1 600控制恒載撓度可有效確?？缰胁怀霈F(xiàn)變形以及斜向裂縫?？鐝讲煌瑫r所對應(yīng)的梁高見表2。

表2 預(yù)應(yīng)力箱梁橋支點梁高推薦表

1.2 跨中梁高

在大跨度連續(xù)箱梁橋的設(shè)計中，多數(shù)支點梁高取值為1/18～1/20的跨徑，跨中梁高為1/3支點梁高，其余則以拋物線的方式進(jìn)行過渡。部分實際項目以更低值作為梁高，往往使得梁體剛度無法符合長期變形要求，梁高過低時在較大的跨徑下會使其出現(xiàn)長期下?lián)蟍5]。以上均以彎矩以及應(yīng)力的角度進(jìn)行設(shè)計，很少考慮到變形控制的角度。當(dāng)梁內(nèi)彎矩較小變化時，徐變位移在因越大的截面高度而隨之增加的慣性矩的影響下會越小。預(yù)應(yīng)力鋼束隨不斷增加的梁高而與截面中心軸的距離表現(xiàn)為不斷增大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束的配置一樣時，預(yù)應(yīng)力鋼束導(dǎo)致的彎矩也就越大，則梁內(nèi)的殘留彎矩則越小，使得徐變位移也有所減小。

某橋梁以109 m+2×185 m+116 m的跨徑進(jìn)行布設(shè)，有11.5 m的橋面寬度，5.5 m的跨中梁高和11 m的支點梁高。建立常見的跨中梁高為3.5 m的模型進(jìn)行分析對比，結(jié)果顯示，5.5 m跨中高度的橋梁跨中在合攏前的撓度值比3.5 m常規(guī)跨中梁高的橋梁跨中撓度小約60%，10年后有約70%的徐變撓度降低值，通過提高支點和跨中梁高的方式，能夠相應(yīng)提高預(yù)應(yīng)力索偏心距，預(yù)應(yīng)力所能抵抗的恒載彎矩也有所提高，在一定程度上降低初始撓度，控制梁體遠(yuǎn)期撓度在合理范圍內(nèi)。

一般情況下,連續(xù)梁的受力與懸臂施工狀態(tài)直接關(guān)聯(lián)，通過提高跨中梁高的方式使截面剛度有效提升，結(jié)構(gòu)承載力有所增加，因為遠(yuǎn)離支點位置導(dǎo)致支點出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩，若跨中梁高盲目增加，則會出現(xiàn)無法控制恒載彎矩的情況[6，7]。以常見的三跨120 m的連續(xù)梁橋為研究對象，以7.2 m作為其支點梁高，取不同情況下的跨中梁高分析支點處的彎矩以及恒載撓度，見表3。

以1/3支點梁高控制跨中梁高的方式對連續(xù)梁長期撓度而言是難以滿足要求的[8]。但應(yīng)以一定的合理范圍控制跨中梁高，以避免恒載過大的情況，導(dǎo)致施工時恒載彎矩?zé)o法被平衡而出現(xiàn)過大的長期撓度?；诒尘皹蛄旱谋O(jiān)測記錄可知，以1/2支點梁高作為跨中梁高時的狀態(tài)最佳。

2 預(yù)應(yīng)力布置

2.1 縱向預(yù)應(yīng)力損失

橋梁變形與縱向預(yù)應(yīng)力損失有較大聯(lián)系。頂?shù)装搴透拱邃撌牟贾迷谝欢ǔ潭壬吓c結(jié)構(gòu)變形有關(guān)[9]。邊跨底板預(yù)應(yīng)力損失會導(dǎo)致邊跨出現(xiàn)下?lián)弦约爸锌绯霈F(xiàn)上拱的情況，以跨徑為80m的連續(xù)箱梁為背景，在30%的底板預(yù)應(yīng)力損失條件下，跨中約有38 m的下?lián)狭?。此外，中跨底板預(yù)應(yīng)力損失會導(dǎo)致中跨出現(xiàn)下?lián)弦约斑吙绯霈F(xiàn)上翹的情況。在20%的預(yù)應(yīng)力損失下約有21 mm的下?lián)献畲笾狄约?.7 mm的上翹最大值。減小腹板以及頂板的預(yù)應(yīng)力時會使梁體出現(xiàn)下?lián)?，跨中下?lián)狭吭诮档?0%頂板預(yù)應(yīng)力鋼束時為24 mm?？梢?，梁體下?lián)吓c預(yù)應(yīng)力損失存在較大聯(lián)系。結(jié)構(gòu)內(nèi)力在預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)損失時重新進(jìn)行分布，對結(jié)構(gòu)初始撓度以及后期混凝土徐變撓度均有一定的影響。因此在設(shè)計時應(yīng)盡可能降低預(yù)應(yīng)力損失，以確保其預(yù)壓度滿足要求，將梁體變形受預(yù)應(yīng)力損失的影響控制在最小。

因不同的預(yù)應(yīng)力損失對撓度有不同的影響。第一，中跨梁體下?lián)蠑?shù)值與腹板和頂板的預(yù)應(yīng)力損失直接關(guān)聯(lián)，以跨徑為80 m的連續(xù)梁進(jìn)行分析可知，中跨在降低30%的頂板鋼束時有25 mm的下?lián)现?。在較大的邊跨底板鋼束損失下，會導(dǎo)致中跨出現(xiàn)上翹，邊跨出現(xiàn)下?lián)?。表明梁體變形與內(nèi)力均與預(yù)應(yīng)力損失存在較大聯(lián)系。

為對橋梁撓度和預(yù)應(yīng)力損失之間的聯(lián)系進(jìn)行分析，本文以2×120 m的連續(xù)梁為背景進(jìn)行建模分析。以0%至30%的頂板和腹板預(yù)應(yīng)力損失，0%、10%、30%的底板預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行分析。所得結(jié)果見表4。

表4 縱向預(yù)應(yīng)力損失與梁體撓度變化情況

由表4可知，腹板、頂板、中跨底板預(yù)應(yīng)力與梁體下?lián)洗嬖谡壤P(guān)系，邊跨底板的預(yù)應(yīng)力以及下?lián)锨闆r不同于其他部位，在較大的預(yù)應(yīng)力損失下，跨中出現(xiàn)上供，但位移變化較小。綜上可知，梁體變形與預(yù)應(yīng)力損失存在較大聯(lián)系，設(shè)計施工時應(yīng)加強(qiáng)對預(yù)應(yīng)力損失的控制。

2.2 優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)縱向預(yù)應(yīng)力配索方法為先計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖[10]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，即基于梁體極限受力情況的不同進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的設(shè)置。該種設(shè)計方法貼合實際，且經(jīng)過實踐檢驗。

為配合施工方案，降低施工所需時間，可在確保結(jié)構(gòu)受力滿足要求的前提下對預(yù)應(yīng)力鋼束開展局部優(yōu)化設(shè)計?；谶^往經(jīng)驗，可從如下幾方面入手：

(1) 基于基本力學(xué)原理，結(jié)合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行考慮，合理布置彎起索等；

(2) 在不明確預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗剪機(jī)制時，為保障安全性，可將抗剪鋼筋用量適當(dāng)提高；

(3) 結(jié)合橋梁規(guī)模以及重要程度選擇預(yù)應(yīng)力度。預(yù)應(yīng)力構(gòu)件能在一定程度上使梁體受力得到改善，梁體高度得以降低，結(jié)構(gòu)裂縫變少，對結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行調(diào)整，使混凝土抗壓性能充分發(fā)揮。即使是B類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，其在多數(shù)情況下所產(chǎn)生的混凝土裂縫也處于閉合狀態(tài)，僅在最大荷載值下才會有短時間的裂縫出現(xiàn)。因此使用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件可使梁體耐久性得到提高，有效節(jié)約所需的養(yǎng)護(hù)資金等。但若處于較大腐蝕性的環(huán)境之下，則需要慎重使用B類構(gòu)件，以避免預(yù)應(yīng)力鋼筋出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁使用年限有所降低，且對于大跨徑橋梁而言，基于安全性考慮在設(shè)計時應(yīng)采用全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。

3 腹板、頂板和底板厚度

若項目資金允許，將箱梁各截面厚度適當(dāng)提高，特別是腹板厚度，雖然在一定程度上影響橋梁美觀，也會提高橋梁造價，但橋梁的承載能力也能得到相應(yīng)的提升，使安全儲備更高，后期病害有所減少，因此性價比是相當(dāng)高的。此外，箱梁的抗剪強(qiáng)度也會因其腹板厚度提高而有所提升，主拉應(yīng)力也會有所降低，在布設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋時較為方便。

3.1 腹 板

結(jié)構(gòu)自重在腹板尺寸增大時也會隨著增大。恒載在大跨徑橋梁中有較大占比，因此應(yīng)盡量輕量化。一般情況下，腹板最小尺寸需符合結(jié)構(gòu)受力需要，此外，需滿足布設(shè)鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道的要求。當(dāng)前在腹板厚度方面并未有明確規(guī)定，在設(shè)計時往往依據(jù)經(jīng)驗取值，如一般以35～60 cm作為跨中腹板厚度的取值范圍。

因腹板結(jié)構(gòu)的空間受力較為復(fù)雜，三向受力特征均有所不同，故腹板也存在復(fù)雜的受力。腹板內(nèi)力類型較多，如正截面存在法向應(yīng)力、剪應(yīng)力或剪力流等。此外，因腹板一般具有較小的尺寸，因此應(yīng)尤為注意設(shè)計時所選取的腹板厚度。以跨徑為80 m的連續(xù)梁為研究背景，調(diào)節(jié)對比不同的腹板厚度，腹板厚度變化對應(yīng)力的影響見表5。

表5 腹板厚度變化對應(yīng)力的影響

從所得結(jié)果可知，調(diào)整腹板的厚度會在一定程度上對截面應(yīng)力值產(chǎn)生影響，截面剪應(yīng)力、正應(yīng)力以及主拉應(yīng)力在合理范圍內(nèi)增加腹板厚度時會有所減小，因此重視大跨度連續(xù)梁腹板厚度的選取，必要時可反復(fù)對比計算選用。

3.2 頂板及底板

箱梁橫向荷載是頂板厚度在設(shè)計時首先要滿足的條件，此外還需確保預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼筋的布設(shè)條件符合要求。底板束的布設(shè)要求是在進(jìn)行頂?shù)装逶O(shè)計時優(yōu)先要滿足的條件。一般情況下，多以7束15.2直徑的鋼束作為頂?shù)装邃撌虼隧數(shù)装遄钚『穸刃柙?0 cm及以上。

一般情況下，在橋梁設(shè)計時需單獨計算其橫向受力，以保障橋梁受力的安全性。在橋梁橫向驗算時若出現(xiàn)較小的截面尺寸往往難以通過，因此對于頂?shù)装搴穸榷詸M向計算是重要因素。

因梁高與截面剛度有較大聯(lián)系，頂?shù)装搴透拱宄叽鐒t對截面剛度的影響較小，因此在確保預(yù)應(yīng)力鋼束的布置以及橋梁局部受力滿足要求的情況下，一般情況下，為使箱梁自重有所減小需確保截面輕量化，使橋梁恒載有所減小，以控制橋梁長期撓度。

4 結(jié) 論

通過上述分析，得到如下結(jié)論：

(1) 提高截面高度，特別是提高橋梁根部或者跨中梁高，可使梁體剛度得以提高，使梁體后期下?lián)蠝p小。當(dāng)前國內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的支座梁高多數(shù)在1/18～1/20跨徑，跨中梁高多數(shù)為1/3支座梁高，應(yīng)將支座梁高適當(dāng)提高至1/15～1/12跨徑，將跨中梁高適當(dāng)提高到1/2支座梁高。

(2) 調(diào)節(jié)中跨底板、頂板可在一定程度上對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的長期位移起到控制作用，但雖然增加預(yù)應(yīng)力鋼束可以改善梁體下?lián)锨闆r，且改善其應(yīng)力儲備條件，但受限于截面尺寸，預(yù)應(yīng)力鋼束的布置較為困難，因此該種方案受限較大，不建議使用。