基于等效荷载的箱梁预应力横隔梁配索设计

基于等效荷载的箱梁预应力横隔梁配索设计

1独柱墩位置设置自20世纪80年代末以来，中国的城市桥梁和桥梁发展迅速，无论是桥梁类型和结构，都更加先进和适合环境。过去上部结构往往采用简单的简支梁、板来“以直代曲”,线形精度低且外观凌乱,如今大量采用现浇连续箱梁,桥梁完全吻合线形的要求,外观浑然一体,体现了城市桥型的主要发展方向。同时桥墩的类型与外形也更为丰富和美观。坡市桥梁对桥墩布设有着极高的要求,必须便于地面行车道及行人道的设置,避开管线,减少用地,满足行车及建筑净空要求。独柱及门架墩以其位置设置的灵活性而越来越得到设计人员的青睐。我国许多老城市都在致力改善交通,在旧路面上架设高架桥非常流行,通常将独柱墩立于中间分隔带,或将门架墩立于路两旁的绿化带,在原路面交汇或平交处也常采用门架墩以保证原路面的行车要求。高速公路的立交桥布设桥墩时,也常采用独柱墩立于被交路的中央分隔带,当两线斜交较大时,采用门架墩立柱于被交路两侧则更显其优点。这些墩的特点就是其悬臂长度或柱间距很大,导致箱梁横隔梁产生很大的内力,特别是其巨大的弯矩,往往再难以用普通钢筋来满足配筋要求,而须给横隔梁施加预应力,以满足横隔梁的强度和变形要求。箱梁预应力横隔梁的应用越来越普遍,但其设计方法实用的却很少,对于大跨径桥梁的0号块件当然可以采用三维板壳、三维实体等三维有限单元进行精确分析计算,而实际工程中大量遇到的是基本跨径为数十米的连续梁或连续刚构桥,设计人员通常都会采用简单的方法进行配索设计。笔者在运用桥梁计算软件进行工程设计的过程中,总结出一种箱梁预应力横隔梁的实用设计计算方法,现通过实例予以详细介绍。2横截面设计2.1横向截面的布置现行的桥梁空间程序往往可以精确地计算出桥梁在各种荷载作用下的内力分布,除了纵向主梁外,也可以得到横隔梁的精确内力值。可是桥梁空间程序并不考虑横隔梁的预应力作用,因此无法直接运用程序对横隔梁进行配索设计。平面杆系桥梁计算程序对预应力混凝土桥的设计已非常成熟,其计算模式是将桥梁体系简化为单个纵向梁来进行计算,横向仅考虑横向分布的影响,不进行横向的计算。将平面杆系桥梁程序应用到单个构件的计算显然是可行的,如将横隔梁视为单个构件,其荷载效应等于桥梁空间程序计算出的不利工况下的荷载效应(即内力值相等),利用内力值反算出等效荷载,再将等效荷载应用到平面杆系桥梁程序中横隔梁构件的计算,通过这种方法,可以综合桥梁空间程序与平面杆系程序的长处,运用现行的桥梁设计软件对横隔梁进行精确设计,其中的关键在于等效荷载的求算。2.2横向受荷与受荷主体的关系“斜弯坡及异形桥梁空间分析系统BSA4.01版”(以下简称BSA)程序通过采用三维有限元按梁格分析方法可以空间性地分析桥梁结构的恒载、节点力、单元荷载、温度、支座强迫位移以及活载等作用下的内力状态,可以精确得出横隔梁的内力分布。从BSA的计算结果中,可以分别得出横隔梁在恒载、(汽+人)、挂车等荷载作用下的内力值,根据材料力学中弯矩、剪力与分布荷载集度间的关系原理(表1),按表1中(1)式将区段两端的剪力值之差除以区段长度即为本区段的荷载集度值。当箱梁横隔梁的单元划分较细时(设计时可取0.5m或更短),将各节段的外荷载视为匀布荷载是比较接近实际的。按此原理,根据横隔梁在恒载、(汽+人)或挂车作用下的剪力包络值(在活载作用下BSA会分别输出最大最小两种工况值),就可以分别反算出横隔梁在相应荷载作用下的等效匀布荷载。注意恒载应包括二期恒载,活载应包括冲击系数。分别求出恒载、起控制作用的(汽+人)或挂车的最大值和最小值三种等效外荷载后,就可以按规范对横隔梁进行使用阶段应力计算和承载能力极限状态下的抗弯抗剪计算。2.3建立等效匀布荷载将横隔梁作为单个构件计算时其程序数据文件的组织应注意以下几个方面:截面描述时可将横隔梁按简单的矩形截面输入,如考虑横隔梁受弯时受压区的有效宽度将截面作为工字梁输入则更为精确。单元节点的划分与BSA中横隔梁节点位置完全对应。构件所受的荷载可按施工阶段的杆元荷载输入,各杆元的荷载值即为BSA中反算出的各节段的等效匀布荷载。按3种工况对横隔梁进行验算,工况1为[恒+(汽+人)或挂最大],工况2为[恒+(汽+人)或挂最小],工况3为[1.2恒+1.4(汽+人)最大]/1.2或(1.2恒+1.1挂最大)/1.2。工况1、2用于使用阶段应力的验算,通过反复调索合理设置预应力钢筋以同时满足工况1、2下《桥规》的各项应力要求。工况3用于承载能力极限状态下的抗弯抗剪计算,由于程序将施工阶段杆元荷载作为恒载处理,故需根据荷载组合系数反算外荷载值。3计算示例3.1箱梁预应力钢设计广东莞深高速公路三期工程温塘跨线桥为多跨连续箱梁桥,其中第一联采用预应力结构,跨径组合为2×19.7m+30m+2×19.7m上下行分离式,单幅桥宽16.63m,箱梁截面为单箱三室截面,受被交路限制,30m跨两端2号、3号墩设为独柱固结墩(2号、3号墩对称,仅计算2号墩),其横梁张拉预应力,横梁作为预应力构件独立设计。图1为2号、3号固结墩处箱梁及横隔梁断面,图2为2号墩横隔梁节点划分图。根据图1、2的条件及模式,按BSA格式编制数据文件,运行计算程序后可得出横隔梁1～31节点分别在恒载、(汽+人)最大、(汽+人)最小、挂车最大、活载(汽+人)作用下的内力,使用EXCEL工作表对BSA计算结果输出文件进行处理,容易计算出所求等效匀布荷载,见表2。3.2预应力横隔梁截面弯矩根据上述设计要点,采用等效匀布荷载计算表中值分别编制3种工况下的数据文件,运用计算程序,经多次调索后,可得到恒+(汽+人)最大作用下预应力横隔梁各截面上下缘正应力(工况1:正常使用阶段)、恒+(汽+人)最小作用下预应力横隔梁各截面上下缘正应力(工况2:正常使用阶段)、[1.2恒+1.4(汽+人)]/1.2最大作用下预应力横隔梁各截面弯矩(工况3:承载能力极限状态)、[1.2恒+1.4(汽+人)]/1.2最大作用下预应力横隔梁各截面剪力(工况3:承载能力极限状态)。再根据计算结果,进行预应力筋布置,见图3。4等效匀布荷载的应用在已建成的许多连续梁桥中,横隔梁裂缝出现超限的现象并不少见,这与连续梁横隔梁缺乏实用而精确的设计手段有关。按上述方法进行箱梁预应力横隔梁的设计,设计人员可以充分运用所熟悉的常规桥梁设计程序,很方便地进行调索计算,获得较佳的应力图形,特别在设计多柱式、斜交甚至是不对称的横隔梁时,更能显示其优点。笔者曾经分析计算过,等效匀布荷载总值与柱反力是相等的(活载须对应于某一具体车载作用情况),即竖直方向外力平衡,等