纵向预应力钢束布置对箱梁横向受力的影响

纵向预应力钢束布置对箱梁横向受力的影响

1横向扩散及角度在设计和使用过载的同时，可变截面的连续梁桥采用顶部和底部两种类型的纵向预算钢梁，以抵抗主要梁结构在施工和使用荷载下产生的负弯矩形的想法，这在中国得到了广泛认可，但垂直钢梁的布局是否合适，取决于预算编制是否充分发挥其作用。同时，它还会受到箱梁的横向压力，这一点不容忽视。从预应力作用的原理来看,预应力所提供的所有内力是通过预应力锚板对锚下混凝土施压提供局部轴力,此轴力沿预应力走向不断通过梁体的纵向剪切扩散直至形成全断面的偏心受压状态。单侧扩散角度约为26°左右,由于箱梁构造复杂,以箱梁底板中心线处的钢束为例,预应力扩散是先扩散至全底板,再沿腹板向上,然后在顶板向两侧扩散。这样,布置于底板中心处的纵向预应力要从锚固断面延伸很长一段距离,方能达到全断面受力的效果。采用常规结构分析工具进行结构计算时,多数都采用了全断面受力的假定,则忽略了上述不利影响,从计算结果中无法真实地反映实际应力分布情况。同时,当底板纵向预应力布置在底板中心附近时,由于变截面箱梁梁底纵向曲线引起预应力的径向分力,也会导致箱梁底板横向弯矩增大。将钢束布置在腹板附近是缩短预应力传递长度的有效方法,这样有效预应力能够沿腹板和底板双方向传递。同时由于钢束靠近腹板,预应力的径向分力对底板产生的弯曲效应也大大减小。2径向力的应用在箱梁横向分析中,一般仅将结构自重、预应力、桥面系荷载以及汽车轮载考虑为使用荷载,但对于连续梁或连续刚构跨中箱梁,纵向预应力钢束的径向分力也不容忽视。箱梁的梁高一般采用抛物线或圆曲线变化;同时各梁段内完全采用直线连接,梁段接头处出现折角。这样,底板纵向钢束完全沿底板行走将导致较大的径向分力,径向力产生原理见图1。因此,在进行箱梁横向分析时绝对不能忽略此分力。径向分力的计算较简单,任意点径向分力集度q=T/r,其中T为该点有效预应力,r为该点曲率半径。径向力对于箱梁的横向受力最大危害主要有两个方面。其一是对箱梁底板产生弯矩,如箱梁底板的横向配筋不足,将使图1中底板A点和B点出现纵向裂缝;其二是引起箱梁底板内部竖向受拉,由于底板布置了较多的纵向预应力管道,使得混凝土人为地分成了两层,极易造成混凝土劈裂,见图2,图中阴影部分较容易剥落,国内已发生多起这种现象。为了避免底板的弯曲破坏,首先应将纵向预应力管道尽量靠近腹板布置,减小径向分力对底板产生的弯矩。同时在横向抗弯设计计算中充分考虑这一荷载,增加底板A、B点(图1)的横向钢筋数量,必要时可在中跨一定区段内设置底板横向预应力,以平衡径向力产生的弯矩。防止底板劈裂应从两方面着手,其一是使纵向预应力管道之间净距适中,以使管道之间的混凝土浇注难度减小,便于保证混凝土的质量;其二是在底板内设置径向力平衡钢筋,即箱梁内常采用的“[”形钢筋,此种钢筋常常被忽视,对它的安装与否、数量多少和安装方式等均不做要求,极容易造成图2所示的破坏。因此底板内的“[”形钢筋应根据计算需要设置,为确保稳妥可靠,应采用图3所示的模式,将“[”形钢筋卡在底板上下外层横向钢筋上。3竖向预应力布置位置在腹板最薄的区域一般将竖向预应力钢筋设置在腹板中心处,当腹板厚度发生变化时,由于纵向预应力锚头、普通钢筋布置等方面的影响,将竖向预应力钢筋横向调整到腹板中心相对困难,一般就采用与腹板较薄梁段相同的模式,即将竖向预应力钢筋与腹板外缘的距离固定。这样设置既方便了竖向预应力钢筋的安装和预应力顶板槽口的开设,也方便了腹板纵向预应力钢束的通行,对降低施工难度有一定的好处。同时,这样设置也有不利的一面,主要是竖向预应力对于腹板会产生一定的偏心力矩。譬如,箱梁跨中腹板厚度40cm,根部腹板厚度80cm,竖向预应力布置在距箱梁腹板外缘20cm的固定位置,则出现了图4所示的受力图式。按照图4的受力模式,腹板内侧将承受较大的拉应力,当箱梁悬臂板上满布汽车车轮而箱梁中心无荷载时,腹板上产生的弯矩与上述弯矩是同方向的,将加剧腹板内侧受拉。因此,为了不增加箱梁腹板的横向抗弯负担,在任何情况下,竖向预应力钢筋一定要布置在腹板中心或关于腹板中心对称布置。4腹板剪力引起的拉应力大跨径的预应力混凝土连续梁,主墩支座的反力较大,同时也引起支座尺寸变大,考虑到支座构造的因素,支座中心与腹板中心大多都存在一定的横向距离。而对于连续箱梁来说,几乎所有支座反力均由两条腹板传递至墩顶,这样就使主墩顶梁段出现了较为复杂的受力状态。譬如某桥零号块相邻梁段的腹板厚度70cm,支座中心距箱梁边缘距离为1.25m,单支座最大反力34000kN,这样支座中心与腹板中心间距为0.9m。即出现了图5所示的受力图式。腹板剪力产生的力矩,将导致箱梁顶板A点出现较大的拉应力,在考虑支座分布宽度的条件下,通过空间分析可算得A点最大拉应力达到4.9MPa,结构将出现较为严重的破坏。解决上述问题的最有效的方法是在零号块箱梁上端施加用于平衡支反力产生弯矩的横向预应力,经过精确的计算分析,根据各施工阶段支反力的大小分级施加。5桥梁合成术后支架的布置连续梁桥的桥墩和连续刚构的边墩需设置大吨位支座,由于吨位过大,一般采用盆式橡胶支座。对于连续梁结构,常规设置方式是在某个靠近温度变形零点的桥墩设置固定支座,而其它各墩均设置纵向滑动而横向固定的支座,举例如图6(a)所示。而对于连续刚构桥梁则在梁端均设置纵向滑动而横向固定的支座。根据以往多座桥梁的教训,这样设置有较严重的问题,因为在温度和活载作用下主梁除发生纵向变形以外,还要发生横向伸缩,当一个桥墩两支座均设置横向固定支座时,固定支座将使梁体的横向变形完全限制,任何微小的温度和活载变形将导致主梁出现纵向裂缝。这种现象在国内多座桥梁上出现过,应引起足够的重视。因此支座的设置应能保证在任何部位纵向、横向伸缩自由,较为合理的布置应在全桥各墩的同一侧支座均采用横向滑动,另一侧采用横向固定,支座的纵向固定仅在某个靠近温度变形零点的桥墩设置,其余各墩均为纵向滑动(见图6(b))。这样,可使梁体的横向变形得到协调。而对于连续刚构桥梁任一梁端的两支座应包括一个纵向滑动而横向固定的支座和一个双向滑动的支座。6竖向变形控制由于连续刚构和连续梁桥为高次超静定结构,主梁多采用悬臂方法施工,各梁段施工时间不一致,混凝土龄期区别很大,预应力、徐变等产生的梁体竖向变形无法精确计算,因此在施工过程中挠度控制只能将梁顶标高控制为一个平顺的线形,完全还原设计线形几乎不可能。因此,这一类的桥梁在设计中应考虑设置一定的凸形竖曲线,如果路线纵断面设置困难,也可考虑在不影响两端接线线形的前提下设置局部竖曲线,这对于降低桥梁标高控制的难度,保证桥梁建成后的外观线形均有较大的意义。7边跨合共享过程中的加政由于连续刚构桥梁本身的受力特点,与边跨相邻的主墩,在恒载作用下,两墩柱垂直力相差较大,内侧墩柱反力远大于外侧墩柱反力,且墩顶还存有较大的弯矩,此弯矩与降温时墩柱产生的弯矩是同号的,对结构受力相当不利。导致墩身配筋量大幅度增加,或者在无法满足受力要求的情况下不得不取消刚性连接,改设大吨位支座。但如果在结构施工完成之前,对两墩柱轴力分布和原有弯矩值进行适当调整,将收到非常好的效果。经过广州市华南大桥的成功经验,通过边跨合拢前后进行一定数量的加载和卸载,可起到相当大的作用。调整的方法是,将整个桥梁的合拢顺序设置为由边及中的顺序,当悬臂浇注完成后,在边跨悬臂端部进行压重(重量依计算需要设置),施加的方法可采用钢锭或水箱等设施;然后进行边跨合拢,并张拉边跨底板预应力钢束;最后拆除压重材料和设备。本方法的原理示意见图7。图7表明,在边跨合拢前后,在边跨相同位置施加相同的垂直力(图中P),在墩身上产生的弯矩值反向但其绝对值并不相等,即有:|M1|>|M2|由此可见ΔM=|M1|-|M2|残留在结构中,而ΔM与成桥后的恒载弯矩是反向的,对恒载内力有利。同时在加卸载过程中两墩柱的轴向力也有调整,即