2,种预应力混凝土连续箱梁钢束梁端锚固方式对比分析
时间：2022-12-09 20:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
■谢添荣
（大连市市政设计研究院有限责任公司厦门分公司，厦门 361006）
预应力混凝土连续梁桥具有结构刚度大、整体性能好、变形小、行车舒适等优点，且设计施工较为成熟，施工质量可控，尤其是在后期使用上，主梁变形挠曲线平缓、桥面伸缩缝少，后期养护少[1]，是当下城市高架桥、跨河桥等常采用的结构形式。
目前城市高架桥和立交桥的规模都较大，桥长在几百米到几公里不等，跨径集中在30～50 m，3～5 跨为一联[2]，桥梁联数较多，为合理协调施工工序，保证施工工期，在项目实施时均为几联同时施工，因此在桥梁设计阶段需考虑相邻联预应力在梁端张拉锚固时不会相互干扰，需要设计人员对钢束在梁端的布置方式进行单独设计。
本文结合工程实际，选取了腹板钢束在梁端的2 种常见锚固方式进行分析探讨。
目前预应力砼连续箱梁腹板钢束在梁端的布置方式主要有以下2 种：第一种方案是梁端横梁腹板位置开槽设置后浇带，腹板钢束在梁端开槽位置锚固（以下简称梁端锚固），第二种方案是钢束在靠近横梁位置上弯至顶板开槽锚固（以下简称顶板锚固），2 种布置方式如图1 所示。在桥梁设计方面，仅追求满足规范对结构强度要求是不够的，更要重视从结构构造措施、结构形式、结构初始质量去加强和保证结构的耐久性和安全性。
梁端锚固和顶板锚固方式在实际工程中各有优缺点，采用哪种锚固方式来有效提高施工质量，保证桥梁后期的耐久性还需要设计人员综合全面考虑[3]。
图1 2 种腹板束梁端布置形式
1.1 方案一：梁端锚固方案
优点：（1）钢束线形变化角度较小，梁端受力较为均匀；
（2）腹板束上弯延伸至横梁锚固，距离支座较近，钢束竖弯有利于提高梁端抗剪承载力。
缺点：（1）需开槽设置后浇带，在施工过程中需切断较多的横梁钢筋， 且与横梁预应力钢束的位置有冲突，对横梁受力有一定影响；
（2）后浇带位置存在施工缝，对横梁的耐久性有一定影响；
（3）不适用于相邻两联腹板位置不一致的情况。
1.2 方案二：钢束顶板锚固方案
优点：（1）腹板束提前上弯至顶板锚固，对横梁钢束及钢筋均无影响，横梁整体性好，施工速度快；
（2）不受相邻联腹板位置影响，适用范围广。
缺点：（1）腹板束未伸入横梁范围，对主梁支座位置抗剪承载力帮助较小；
（2）箱梁顶板开槽对桥面板横向钢筋和预应力钢束的布置影响较大；
（3）槽口位置回填混凝土体积小， 回填质量不容易控制，该位置桥面水易渗入锚固区，影响锚具耐久性。
2.1 工程背景
选取某高架桥（4×30）m 联进行分析，采用等高度预应力砼连续箱梁， 箱梁混凝土标号为C50，箱梁截面采用单箱多室截面，边腹板倾斜度为2∶1，两侧悬臂长为3.5 m。
箱梁顶宽26 m，顶、底板厚为25～45 cm，中、边腹板厚为40～80 cm。
箱梁在各支点处设置横梁，边支点处横梁厚150 cm，中支点处横梁厚220～250 cm，箱梁标准断面如图2 所示。纵向预应力设置了腹板束、顶板束及底板束，单道腹板布置3 束15Φs15.2 预应力钢束， 顶底板布置12Φs15.2 钢束。
预应力钢束采用高强度低松弛Φs15.2 钢绞线，塑料波纹管制孔，锚具采用夹片式群锚锚具。箱梁采用整联现浇，一次落架成型施工方案。
图2 箱梁标准断面图
2.2 桥梁结构计算
2.2.1 计算参数
分别建立2 种梁端布束方案的箱梁有限元模型，主梁结构纵向简化成平面杆系的计算图式进行静力分析，采用Midas Civil 分析软件进行计算。
本次计算内容主要包括结构自重、混凝土收缩徐变、预应力作用、运营活载、温度差及支点不均匀沉降等作用效应。（1）预应力参数。弹性模量：1.95×105MPa；
标准强度：1860 MPa；
钢筋松弛系数：0.3；
孔道摩阻系数：0.17；
孔道偏差系数：0.0015；
单端锚具变形及钢束回缩值：6 mm。（2）恒载：一期荷载和二期恒载。一期恒载：包括箱梁、横梁等材料重量，混凝土容重取26 kN/m3，箱梁按实际断面计取重量，箱梁横隔板以集中力计入；
二期恒载：包括防撞护栏、桥面铺装，桥上管线等。
（3）活载：汽车荷载公路Ⅰ级；
人群：3.5 kN/m2。（4）温度荷载。计算取体系升温25℃，体系降温25℃；
温度梯度按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）取值。
（5）基础不均匀沉降：取0.5 cm。
2.2.2 钢束布置
2 种方案主梁钢束布置如图3 所示，2 种方案钢束除腹板束在梁端锚固方式不一样，其余钢束布置均一致，腹板采用15Φs15.2 预应力钢束，顶底板采用12Φs15.2 钢束：
图3 预应力钢束布置图
3.1 模型简介
采用Midas Civil 分析软件建立结构有限元模型（图4），全桥合计节点133 个，梁单元122 个，边界条件采用弹性连接及一般支承模拟支座。
图4 有限元模型
3.2 材料特性
模型的材料性能如下。（1）混凝土材料性能。混凝土材料强度等级为C50，弹性模量为34500 MPa，剪切模量为13800 MPa， 泊松比为0.20， 容重为25 kN/m3， 线膨胀系数为0， fck为32.40 MPa， ftk为2.650 MPa，fcd为22.40 MPa，ftd为1.830 MPa。
（2）预应力钢筋材料性能。预应力钢筋材料15.2 的弹性模量为195000 MPa，容重为78.5 kN/m3，线膨胀系数为0，fpk为1860 MPa，fpd为1260 MPa，f ′pd为390 MPa。（3）普通钢筋HRB400 的弹性模量为200000 MPa，容重为76.980 kN/m3， fsk为400 MPa， fsd为330 MPa，f′sd为330 MPa。
3.3 荷载组合
根据JTG D60-2015《公路桥梁设计通用规范》的规定，运营阶段针对边混主梁主要考虑如下几种荷载组合。
组合Ⅰ：1.2 恒荷载+1.0 收缩+1.0 徐变+1.4 汽车荷载；
组合Ⅱ：1.2 恒荷载+1.0 收缩+1.0 徐变+1.4 汽车荷载 （含汽车冲击力）+0.49 汽车制动力+0.7 均匀升温+0.7 梯度升温；
组合Ⅲ：1.2 恒荷载+1.0 收缩+1.0 徐变+1.4 汽车荷载 （含汽车冲击力）+0.49 汽车制动力+0.7 均匀降温+0.7 梯度降温；
组合Ⅳ：1.0 恒荷载+1.0 收缩+1.0 徐变+0.7 汽车荷载（不含汽车冲击力）+1.0 汽车制动力+1.0 均匀升温+0.8 梯度升温+0.75 风荷载；
组合Ⅴ：1.0 恒荷载+1.0 收缩+1.0 徐变+0.7 汽车荷载（不含汽车冲击力）+0.7 汽车制动力+1.0 均匀降温+0.8 梯度降温。其中，组合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是验算结构在承载能力极限状态下的受力情况，组合Ⅳ、Ⅴ是验算结构在正常使用极限状态频遇效应组合下的受力情况。
3.4 内力计算结果
根据上述条件计算得到主梁承载能力状态下的内力如表4 所示，内力包络图如图5～6 所示。
图5 承载能力极限状态弯矩包络图
表4 承载能力极限状态主梁内力极值汇总
图6 承载能力极限状态剪力包络图
3.5 主梁梁端内力计算结果对比分析
为得到2 种布束形式下主梁梁端受力对比，分别提取距离梁端15 m 范围内单元的抗弯承载力、抗剪承载力、顶底板正应力、箱梁剪应力和主拉应力，各内力对比如图7～9 所示。
图7 主梁抗弯及抗剪承载力对比
从图7（a）可以看出，钢束梁端锚固方案主梁抗弯承载力比锚固在顶板提高约50%。
从图7（b）可以看出，在靠近支点位置，梁端锚固方案的抗剪承载力要高于顶板锚固方案，再往跨中位置顶板锚固方案抗剪承载力会高于梁端锚固方案。
从上述分析可以得出，顶板锚固方案随着腹板钢束上弯锚固至顶板会降低主梁在梁端位置的抗弯承载力及支座位置的抗剪承载力，但能提高钢束上弯位置的抗剪承载力。
从图8 可以看出，钢束梁端锚固方案顶底板应力分布均匀，压应力储配较大。
钢束顶板锚固方案应力突变较大，顶板应力呈锯齿状分布，底板正应力在钢束上弯位置急剧减小，相较于梁端锚固方案，压应力减小约60%；
因此对于主梁支点附近的正截面抗裂效应钢束锚固在梁端方案要明显优于锚固在顶板方案。
图8 主梁正应力对比图
从图9（a）可以看出，在支点位置钢束锚固在梁端主梁剪应力比锚固在顶板提高约50%， 但在距梁端6～10 m 位置， 顶板锚固方案剪应力远大于梁端锚固方案。图9（b）可以看出，在靠近支点位置，梁端锚固方案的主拉应力分布比较均匀， 顶板锚固方案主拉应力数值明显增大，且变化幅度较大。
因此对于主梁支点附近的斜截面抗裂效应钢束锚固在梁端要明显优于锚固在顶板。
图9 主梁剪应力与主拉应力对比图
在对2 个方案的优缺点、内力及应力对比分析的基础上， 提出相应的设计措施以改善结构受力，增强结构的耐久性和安全性。
4.1 针对方案一的设计措施
方案一梁端锚固方案的重难点在于如何保证后浇带位置耐久性，针对该问题，在后浇带位置增设顶底板短束（图10），待后浇带混凝土达到设计强度后单端张拉该部位钢束。
针对本项目，顶底板增加6 束梁端短束，计算结果如图11 所示，增加短束后靠近后浇带位置顶板拉应力减小了约1.2 MPa，底板压应力提高了0.9 MPa， 有效提高了后浇带压应力储备和耐久性。
图10 后浇带增设顶底板短束图
图11 方案一增加梁端短束前后主梁正应力对比
4.2 针对方案二的设计措施
方案二顶板锚固方案在腹板束上弯位置，底板应力削弱较多，设计时需增加该位置底板钢束（图12），并增强该位置腹板钢筋，避免因腹板钢束集中上弯导致腹板出现裂缝；
腹板钢束张拉完成后，在顶板槽口位置填充微膨胀混凝土，增强锚具耐久性。
针对本项目，底板增加6 束梁端底板短束，计算结果如图13 所示，增加短束后腹板钢束上弯位置底板压应力提高了1.1 MPa，有效提高了底板压应力储备和耐久性。
图12 腹板上弯位置增设底板短束图
图13 方案二增加梁端短束前后主梁正应力对比
通过对预应力混凝土连续箱梁钢束梁端锚固和顶板锚固2 个方案构造优缺点、内力及应力进行总结对比，同时针对2 个方案存在的问题提出了相应的设计改进措施，为预应力混凝土箱梁钢束在梁端的布置设计提供一定的理论参考，但采用哪种锚固方式来有效提高施工质量，保证桥梁后期的耐久性还需要设计人员结合项目实际综合全面考虑。
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