二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高速快速、高舒適性的特點(diǎn)對(duì)道路的平滑性和橋梁結(jié)構(gòu)的變形有嚴(yán)格的要求。文獻(xiàn)規(guī)定，“應(yīng)嚴(yán)格限制預(yù)制混凝土梁的徐變上拱。在鋪設(shè)軌道后，傾斜橋梁上的徐變上拱不應(yīng)大于20mm，無(wú)傾斜橋梁上的徐變上拱不應(yīng)大于10mm。”。在我國(guó)高速鐵路建設(shè)中,為了滿足這一嚴(yán)格要求,橋梁結(jié)構(gòu)按傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都不得不采取增加建筑高度、加大截面積、限制預(yù)應(yīng)力度、加強(qiáng)施工控制等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)徐變變形的嚴(yán)格控制,這就大大降低了混凝土材料和預(yù)應(yīng)力筋的效率,增加了建設(shè)成本。二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁是一種混凝土分兩次澆筑、預(yù)應(yīng)力筋分兩次張拉的新型疊合梁,因其獨(dú)特的施工工藝而使其具有良好的控制徐變上拱的能力。本文以高速鐵路無(wú)碴軌道簡(jiǎn)支箱梁為例進(jìn)行二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的設(shè)計(jì),并進(jìn)行二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁和常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土梁應(yīng)力對(duì)比分析,探討二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。1期預(yù)應(yīng)力與分區(qū)應(yīng)力的作用預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變上拱產(chǎn)生的最根本原因就是施加的預(yù)應(yīng)力過(guò)大,如圖1所示,若將總的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分解,并把梁體混凝土分兩次澆筑,讓一部分預(yù)應(yīng)力(一期預(yù)應(yīng)力)作用在先澆梁體(一期混凝土)上,使先澆梁在一期預(yù)應(yīng)力作用下處于軸心受壓狀態(tài),而另一部分預(yù)應(yīng)力(二期預(yù)應(yīng)力)作用在后澆梁體(二期混凝土)上,一期預(yù)應(yīng)力對(duì)梁的徐變上拱影響很小,梁的徐變上拱主要由二期預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生,這樣就在保證預(yù)應(yīng)力度不變的前提下降低了截面的應(yīng)力梯度,梁的初始上拱值就會(huì)明顯減小,從而使得殘余徐變上拱過(guò)大的問(wèn)題得到有效的解決。二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的施工工序可概括為:1)澆筑先澆梁(一期)混凝土;2)張拉一期預(yù)應(yīng)力筋;3)澆筑后澆梁(二期)混凝土;4)張拉二期預(yù)應(yīng)力筋。2預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)由于先澆梁在疊合截面形成以前不承受荷載作用,故二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁(二次梁)屬于一次受力疊合結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)計(jì)算方法與整體澆筑的混凝土梁(常規(guī)梁)相似,與普通的一次受力預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)相比也有獨(dú)自的特點(diǎn)。2.1確定澆梁的長(zhǎng)度和使各截面的應(yīng)力梯度分布起來(lái)先澆梁尺寸擬定時(shí)要考慮高度和長(zhǎng)度兩個(gè)因素,先澆梁的高度應(yīng)根據(jù)橫截面形狀、便于施工和配置結(jié)合面抗剪鋼筋等因素進(jìn)行擬定,先澆梁的長(zhǎng)度要根據(jù)各截面應(yīng)力梯度大小來(lái)確定,要覆蓋正截面應(yīng)力梯度比較大的截面;先澆梁的長(zhǎng)度要與其高度保持一定的比例,避免先澆梁的長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大,在一期預(yù)應(yīng)力作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞。2.2形勢(shì)一、二代預(yù)應(yīng)力筋用量首先估算二期預(yù)應(yīng)力筋用量,然后是一期預(yù)應(yīng)力筋用量。如圖1所示,以跨中二期混凝土截面下緣A點(diǎn)、豎向結(jié)合面截面下緣D點(diǎn)(或E點(diǎn))在預(yù)應(yīng)力和全部荷載作用下有足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備為原則確定二期預(yù)應(yīng)力筋用量,以跨中截面下緣B點(diǎn)在預(yù)應(yīng)力和全部荷載作用下有足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備為原則確定一期預(yù)應(yīng)力筋用量,一、二期預(yù)應(yīng)力筋用量之和為總的預(yù)應(yīng)力筋用量。2.3預(yù)應(yīng)力損失算例一期預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失中的混凝土彈性壓縮、預(yù)應(yīng)力筋松弛、混凝土收縮徐變等三項(xiàng)損失應(yīng)按一期預(yù)應(yīng)力作用于先澆梁截面和一、二期預(yù)應(yīng)力共同作用于疊合后的換算截面分兩次計(jì)算,并取兩次計(jì)算之和為最終損失值。2.4抗裂體試算的驗(yàn)算先澆梁在一期預(yù)應(yīng)力作用下應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算;跨中截面抗裂性驗(yàn)算時(shí)不僅要驗(yàn)算疊合后截面下緣的抗裂性,而且也要驗(yàn)算二期混凝土截面下緣的抗裂性;在豎向結(jié)合面截面抗裂性驗(yàn)算時(shí),要考慮一、二期混凝土拼接縫造成截面抗裂性的降低。2.5施工措施為了滿足一期預(yù)應(yīng)力筋錨固的需要,先澆梁端部截面尺寸應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)擴(kuò)大,相應(yīng)增加構(gòu)造配筋。3混凝土二次混合設(shè)計(jì)的示例3.1先澆梁截面尺寸參考我國(guó)高速鐵路常用的32m無(wú)碴軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁通用圖通橋2322-Ⅱ進(jìn)行設(shè)計(jì),即主要結(jié)構(gòu)尺寸采用通橋2322-Ⅱ,計(jì)算跨徑31.5m,梁全長(zhǎng)32.6m;截面類型為單箱單室,梁端頂板、腹板、底板局部向內(nèi)側(cè)加厚,詳細(xì)尺寸如圖2所示;先澆梁的長(zhǎng)度和高度分別為18.6m和1.20m,長(zhǎng)細(xì)比為57,縱向彎曲系數(shù)為0.85,為了一期預(yù)應(yīng)力筋的錨固,適當(dāng)擴(kuò)大了先澆梁的梁端截面尺寸,如圖2所示。梁的5個(gè)特征橫截面如圖3所示,1-1截面為跨中截面,2-2截面為先澆梁四分點(diǎn)截面,3-3截面為豎向結(jié)合面截面,4-4截面為腹板厚度變化處截面,5-5截面為支點(diǎn)控制截面(距支點(diǎn)中心的距離為梁高的一半)。3.2樹(shù)立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)1)設(shè)計(jì)荷載:梁體自重按25kN/m3計(jì)算,二期恒載按雙線直線梁為184kN/m計(jì)算,活載采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載,如圖4所示。2)動(dòng)力系數(shù):按文獻(xiàn)的規(guī)定取值。計(jì)算剪力時(shí):計(jì)算彎矩時(shí):式中:φ1、φ2分別為剪力動(dòng)力系數(shù)、彎矩動(dòng)力系數(shù);Lφ為加載長(zhǎng)度(以m為單位),當(dāng)Lφ<3.61m時(shí)按3.61m計(jì),簡(jiǎn)支梁時(shí)Lφ為梁的跨度。3)安全系數(shù):按文獻(xiàn)的規(guī)定取值,強(qiáng)度安全系數(shù)K不小于2.0,抗裂安全系數(shù)Kf不小于1.2。4)主要材料:混凝土等級(jí)為C50,預(yù)應(yīng)力筋采用1860級(jí)φ15.24mm的鋼絞線,錨下控制應(yīng)力不大于1395MPa,非預(yù)應(yīng)力筋采用HRB335級(jí)熱軋帶肋鋼筋。3.3預(yù)應(yīng)力筋布置一期預(yù)應(yīng)力筋為54根,二期預(yù)應(yīng)力筋為210根;考慮一期預(yù)應(yīng)力筋錨固的需要,在先澆梁梁端把一期預(yù)應(yīng)力筋向上豎向彎起、向內(nèi)平面彎曲,預(yù)應(yīng)力筋布置如圖2、圖3所示;二次梁與通橋2322-Ⅱ預(yù)應(yīng)力筋配置數(shù)量如表1所示,二次梁普通鋼筋的配置與通橋2322-Ⅱ相同。3.4預(yù)應(yīng)力錨口及孔道采用后張法施工,混凝土養(yǎng)護(hù)14d后施加預(yù)應(yīng)力,一、二期混凝土齡期差為30d,二期預(yù)應(yīng)力筋傳力錨固后60d施加二期恒載;預(yù)應(yīng)力筋孔道采用橡膠抽拔管成孔,摩擦系數(shù)取0.55,管道偏差系數(shù)取0.0015;錨口及喇叭口預(yù)應(yīng)力損失按錨外張拉控制應(yīng)力的6%計(jì)算;其他各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失按文獻(xiàn)的規(guī)定計(jì)算。4混凝土二次壓裂的高度分析4.1混凝土抗壓強(qiáng)度先澆梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性采用文獻(xiàn)軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為:強(qiáng)度驗(yàn)算穩(wěn)定性驗(yàn)算式中:σc為混凝土壓應(yīng)力,MPa;N為計(jì)算軸向壓力,MN;Ac為橫截面的混凝土面積,m2;A′s為受壓縱筋面積,m2;m為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與混凝土抗壓極限強(qiáng)度之比;[σc]為混凝土容許壓應(yīng)力;ue788為縱向彎曲系數(shù)。計(jì)算得到先澆梁軸心受壓強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)混凝土壓應(yīng)力為4.05MPa,穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)混凝土壓應(yīng)力為4.60MPa,均小于混凝土容許壓應(yīng)力13.4MPa,先澆梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。4.2次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁截面應(yīng)力梯度根據(jù)施工特點(diǎn),把二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的受力分為5個(gè)階段:1)施加一期預(yù)應(yīng)力;2)施加二期預(yù)應(yīng)力;3)自重作用;4)施加二期恒載;5)活載作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)計(jì)基本資料和預(yù)應(yīng)力筋配置方案,計(jì)算得到各階段的正截面應(yīng)力,選取其中四個(gè)特征截面,分別為跨中截面(1-1截面)、先澆梁四分點(diǎn)截面(2-2截面)、豎向結(jié)合面截面(3-3截面)和腹板厚度變化處截面(4-4截面),其正截面應(yīng)力與通橋2322-Ⅱ?qū)?yīng)位置正截面應(yīng)力如圖5所示,其與通橋2322-Ⅱ?qū)?yīng)截面應(yīng)力梯度如表2所示,強(qiáng)度安全系數(shù)與抗裂安全系數(shù)如表3所示。由圖5、表2和表3可知:在各個(gè)施工階段,尤其是施加二期恒載后,二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁截面應(yīng)力梯度明顯小于通橋2322-Ⅱ,這對(duì)于控制梁的徐變上拱非常有利;二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁在減小截面應(yīng)力梯度的同時(shí),跨中截面下緣預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)備值不降低;與通橋2322-Ⅱ相比,二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁總的配筋數(shù)量減少,跨中截面安全系數(shù)基本不變,其他截面的安全系數(shù)雖然有所降低,但仍然能滿足規(guī)范要求。4.3腹板厚度變化處截面強(qiáng)度驗(yàn)算選取4個(gè)特征斜截面進(jìn)行驗(yàn)算,即頂端分別通過(guò)先澆梁四分點(diǎn)截面(2-2截面)、豎向結(jié)合面截面(3-3截面)、腹板厚度變化處截面(4-4截面)和支點(diǎn)控制截面(5-5截面)的斜截面,4個(gè)斜截面強(qiáng)度安全系數(shù)與常規(guī)梁(通橋2322-Ⅱ)對(duì)應(yīng)位置斜截面強(qiáng)度安全系數(shù)如表4所示。由表4可知:二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的預(yù)應(yīng)力筋配置數(shù)量比常規(guī)梁(通橋2322-Ⅱ)減少,造成各斜截面強(qiáng)度安全系數(shù)有所下降,但仍然能滿足規(guī)范要求,無(wú)需增大截面尺寸。4.4次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁設(shè)計(jì)疊合面抗剪承載力按文獻(xiàn)的公式計(jì)算,計(jì)算公式為:式中:ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b為疊合面高度處的截面寬度;h0為截面有效高度;fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Asv為箍筋截面積;s為箍筋間距。疊合面抗剪承載力和剪力設(shè)計(jì)值如表5所示,疊合面二期混凝土截面下緣、疊合面一期混凝土截面上緣混凝土主應(yīng)力如表6所示。由表5、表6可知,二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁疊合面抗剪承載力滿足要求;疊合面一期混凝土截面上緣和二期混凝土截面下緣混凝土的主拉應(yīng)力不超過(guò)混凝土容許拉應(yīng)力2.79MPa,主壓應(yīng)力不超過(guò)混凝土容許壓應(yīng)力16.8MPa,也滿足規(guī)范要求。因此,二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的疊合面抗剪承載力雖然相對(duì)于常規(guī)梁相同位置薄弱,但其抗剪承載力和主應(yīng)力均能滿足要求,無(wú)需增大疊合面截面尺寸和增加疊合面抗剪鋼筋。5通橋二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測(cè)定二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁和通橋2322-Ⅱ的混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋用量對(duì)比如表7所示。由表7可知:二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁由于先澆梁梁端錨固一期預(yù)應(yīng)力筋的需要擴(kuò)大了截面,混凝土用量比通橋2322-Ⅱ增加0.4%(1.3m3),但預(yù)應(yīng)力筋用量卻節(jié)省了9.45%(945kg),因此,二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于通橋2322-Ⅱ。6次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)1)與常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比,在各個(gè)施工階段,尤其是在施加二期恒載以后,二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁正截面的應(yīng)力梯度明顯減小,截面應(yīng)力更趨于均勻,受力更合理,對(duì)于減小梁的徐變上拱非常有利;2)二次預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁在減小截面應(yīng)力梯度的同時(shí),跨中截面下緣預(yù)壓