连续高架大悬臂盖梁的安全度指标研究

2023-09-22何宇健沈理斌

北方交通 2023年9期

何宇健,沈理斌

(嘉兴市交通投资集团有限责任公司嘉兴市 314001)

0 引言

近年来,高速桥梁多有与现状国省道共线的情况,共线桥梁型式的选择,既要考虑与周边环境相协调,确保桥下道路视距通透,也要考虑高架桥梁的施工交通组织和标准化设计,并尽可能减少占地、预留桥下道路拓宽空间。鉴于此,桥梁上部一般采用预制拼装结构,而下部结构一般采用少墩柱的大悬臂盖梁方案。现阶段新建高速公路普遍以双向六车道为主,根据以往工程案例的调查走访,大悬臂盖梁的最大悬挑长度可达13m,如何在兼顾经济性的前提下确保盖梁结构安全可靠则成了一个重要命题。祁巍等[1]模拟大悬臂盖梁不同施工阶段和运营阶段的受力特性,为盖梁计算参数取值和设计提供借鉴;荣向波等[2]结合大挑臂盖梁的杆系结构和实体结构计算结果,为同类盖梁设计提供参考。此类研究多集中在如何对大悬臂盖梁进行设计计算,而对盖梁的安全度指标少有提及,盖梁作为桥梁结构中承上启下的重要构件,设计过于保守会造成材料和公共资源的浪费,过于激进又会留下安全隐患,因此,研究大悬臂盖梁的安全度指标是十分必要的。

1 工程概况

某连续高架桥采用桥下空间利用的中分带落墩设计方案,桥面为双向六车道,桥宽2×16.25m,桥下地面道路为双向四车道,中分带宽11m。桥梁上部结构主要采用30mT梁,共布设2×7片;下部结构采用大悬臂盖梁敞开式H型墩,下设哑铃型承台接4根Φ2m的桩基础。主要尺寸见图1。

图1 连续高架桥上下部结构示意图(单位:cm)

桥梁上部结构的恒载和汽车荷载通过大悬臂盖梁传递给墩柱和基础,大悬臂盖梁的可靠性则受桥面铺装加铺、汽车超载、施工过程中预应力损失等多方面影响,归结起来桥面加铺和汽车超载在上部结构安全储备上有所体现,下面将主要从上部结构承载能力富余度和盖梁施工过程中预应力损失这两方面来研究盖梁的安全度取值问题。

2 上部结构安全度指标探析

桥梁结构设计的总体原则是抗力不小于荷载作用,且需考虑到诸多不确定性,包括材料强度的不均匀性、荷载的不确定性、结构抗力计算分析的不确定性以及施工的不确定性等,结构设计一般都会预留一定安全富余来包络这些不确定性。现行规范采用的是基于概率统计的可靠性设计方法,是通过可靠一致性最佳的原则确定荷载分项系数,最终在规定使用年限内承载能力极限状态和正常使用极限状态都能保证结构安全。

盖梁的安全度与桥梁上部结构息息相关,从结构破坏的后果来看,下部结构破坏造成的经济损失通常大于上部结构的破坏。因此,下部结构的安全系数不应小于上部结构,不考虑极端荷载车辆撞击或地震造成的破坏,也就是大悬臂盖梁的安全度要大于上部结构安全度。目前高速公路上常用的预装拼装上部结构主要有T梁和小箱梁,主要跨径是25m和30m,收集以往工程项目上部结构设计图纸,根据《公预规》[3]第5.2.2条:

利用Midas Civil有限元软件对其抗弯承载能力分别验算,具体计算结果如图2、图3所示。

图2 上部结构承载能力设计值与抗力值

图3 上部结构承载能力安全系数

高速桥梁预制拼装上部结构的设计采用多项指标控制,包括施工阶段和运营阶段结构的应力、强度、变形等要素,根据统计,在应力和刚度满足规范要求的前提下,上部结构极限承载能力普遍留有安全富余,其中抗弯承载能力富余度一般在9%～22%,抗剪承载能力富余度在26%～35%之间。也就是说,单从上下部结构安全度保持一致的角度看,大悬臂盖梁的极限承载能力富余度不宜小于10%。

3 大悬臂预应力盖梁施工期间的预应力损失分析

大悬臂预应力盖梁采用后张法的施工工艺,预应力钢束自张拉到锚固完成,施工期间会产生管道摩阻损失、混凝土弹性压缩损失、锚固损失等瞬时预应力损失,锚固后还会因混凝土收缩徐变及预应力筋应力松弛产生长期损失。

盖梁预应力的张拉控制应力设计值一般按0.75倍预应力钢筋强度标准值确定,扣除钢绞线回缩、锚具变形以及垫板间接缝引起的预应力损失后即为锚下有效应力,锚下有效应力再扣除管道摩阻损失和由分批张拉引起的混凝土弹性压缩预应力损失即为施工完成后的盖梁实际有效预应力,而该预应力将直接对结构的安全性和耐久性起控制性作用。

考虑到施工期间上部梁板的架设方案,大悬臂预应力盖梁一般采用分批张拉,而由之引起的混凝土弹性压缩预应力损失计算值与施工误差占比较小,可以忽略不计;锚固瞬时损失根据不同的锚具产品和施工质量会有所偏差,施工时可对锚下有效预应力进行监测,通过调整张拉力,将锚下有效应力的误差控制在规范[4]容许范围5%以内。下面再来看下管道摩阻损失对大悬臂预应力盖梁的影响。

管道摩阻损失主要分为管道偏差预应力损失和管道弯曲预应力损失,管道直线部分因施工震动和预应力筋自重下挠,预应力筋与管道内壁有实际接触,张拉预应力筋时两者存在相对滑动就会产生摩阻力,这部分预应力损失即为管道偏差预应力损失;对于管道弯曲部分,还存在着预应力筋对管道内壁径向压力所产生的摩阻力,这部分预应力损失称为管道弯曲预应力损失,并随着预应力筋弯曲角度的增加而增加。

盖梁预应力筋实际布设时因施工振捣等原因可能出现定位偏差,造成钢束布设线形与设计方案有所出入,预应力管道的摩阻损失跟施工质量密切相关。林亨等[5]调研了国内文献期刊关于预应力塑料波纹管道摩阻系数的取值,共提取了40组数据,根据拟合的概率统计模型,将塑料波纹管实测管道摩阻系数归纳如表1所示。

表1 塑料波纹管管道摩阻系数

4 算例分析

4.1 参数及模型

盖梁采用C50混凝土,共布设了18根预应力钢束,预应力钢束采用Φs15.2低松弛高强度钢绞线,抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa,弹性模量Ep=1.95×105MPa,波纹管采用塑料波纹管。根据上部结构T梁的架设方案预应力分两次张拉。盖梁钢束布置如图4所示,下部结构Midas Civil有限元单元划分模型如图5所示。

图4 盖梁钢束布置图

图5 下部结构有限元模型

4.2 计算分析

盖梁采用A类预应力构件进行设计,按《公预规》第6.3.1条规定,正常使用极限状态频遇组合截面上下缘拉应力不得大于0.7ftk,考虑到盖梁实际摩阻损失的不确定性,我们采用偏保守的测试值进行计算,并将张拉应力控制值按最不利锚下有效应力进行折减,成桥状态下主要控制指标墩顶位置盖梁的截面上缘拉应力和抗弯承载力计算结果如表2所示。