预应力混凝土空心简支板持久状况及抗裂验算分析

陈海洋

（吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021）

预应力混凝土空心简支板持久状况及抗裂验算分析

陈海洋

（吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021）

根据已有设计资料与最新版的桥梁设计规范，以及相关理论为验算依据，对某预应力混凝土空心简支板持久状况及抗裂计算方法进行初步研究,对其内力进行验算分析。结果表明其结构满足强度、刚度及稳定性的要求。

预应力；混凝土空心简支板；持久状况；抗裂；验算分析

1　设计资料及主要指标确定

1.1设计资料

1.1.1桥面跨径及桥宽

标准跨径：根据该桥的桥下净空及造价的因素，选取标准跨径20 m。

主梁全长：考虑到预制梁安装需要和伸缩缝的设置，留4 cm伸缩缝，预制梁长19.96 m。

计算跨径：取相邻支座中心间距19.6 m。

桥面宽度：根据所在线路的交通量，桥梁横向宽度采用净-9 m+2×1.5 m人行道。

1.1.2设计荷载

根据所在公路的设计等级，荷载等级选用：公路I级车道荷载，人群荷载3.5 kN/m2。

1.1.3材料及工艺

混凝土：主梁采用装配式预应力混凝土结构，混凝土用C40，人行道、栏杆混凝土采用C20，企口缝采用C30;桥面铺装采用C30的沥青混凝土；预应力钢筋：钢绞线，fpk=1 570 MPa，弹性模量Ep= 1.95×los MPa。

锚具：采用与钢绞线配套的XM锚具。

钢筋：直径大于或等于12 mm时，采用HRB335钢筋；直径小于12 mm时，采用HPB235钢筋。

板式橡胶支座：采用氯丁橡胶支座，最大温差为45℃，尺寸根据计算确定。

钢板：锚具垫板采用Q235钢钢板，伸缩缝处用45号铸钢。

1.1.4设计依据

《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）；《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）。

1.2构造布置

（1）桥梁横断面：施工方法采用先预制，再吊装。板间采用企口缝混凝土湿接。板厚90 cm，预制板宽105 cm，全桥横桥向由10块预制板拼装而成，每块预制板中有直径为55 cm的空洞（见图1）。

图1　桥梁横断面图

（2）桥面铺装：采用厚度为10 cm沥青混凝土。

（3）桥面采用连续桥面，边孔三跨为一联，中孔四跨为一联，但偏于安全地未计入行车道板的承载力中，采用钢板伸缩缝，钢板通过预埋锚筋锚固在桥面板或桥台上。

（4）泄水管采用直径为12 mm的铸铁管，每两跨设一泄水孔，且在全桥两侧对称布置。其纵向间距根据当地降水资料另行计算。

2　持久状况截面承载能力极限状态计算

2.1正截面承载能力计算

求受压区高度：取弯矩最大的跨中截面进行计算。将空心截面按照等面积和等惯性矩的原则换算成如图2所示的工字形截面。略去构造钢筋的影响，先按第一类T形截面梁计算混凝土受压区高度，即：

受压区全部位于翼缘板内，说明确定是第一类T形截面梁（见图2）

图2　空心板等效换算成工字形截面图

2.2正截面承载能力计算

梁跨中截面弯矩组合设计值yOM=1 939.85 kN·m，截面受弯承载力为：

跨中截面正截面承载能力满足要求。

2.3斜截面承载能力计算

斜截面受剪承载力计算：取距支点h/2处截面进行验算。

2.3.1复核主梁截面尺寸

所以截面尺寸满足要求。

2.3.2验算是否需进行斜截面抗剪强度的计算《公路桥涵设计通用规范》规定，若则不需要进行斜截面抗剪强度计算，仅需要按照构造配置箍筋。由于：

说明需要通过计算配置抗剪钢筋。

2.3.3箍筋设计

《公路桥涵设计通用规范》规定：主梁斜截面强度按下式计算：

式中：p为斜截面内受拉纵筋的配筋率，即箍筋选用直径为Ф8的四肢Q235钢筋，间距Sv=200 mm，fsv=195 M Pa，则:

纵向普通钢筋作为强度储备，满足要求。

3　预应力损失估算

3.1力筋张拉控制应力

按《公路桥涵设计通用规范》规定:

3.2力筋应力损失

对于跨中截面：

式中：μ为钢筋与管道壁间的摩擦系数，μ=0.001 5; K为管道每米长度的局部偏差对摩擦的影响系数，k=0.001 5；x为张拉端至计算截面的管道长度在构件纵轴上的投影长度。

3.3短暂状况的应力验算

预应力混凝土结构按短暂状态设计时，应计算构件在制造、运输及安装等施工阶段，由预加力（扣除相应的应力损失）、构件自重及其他施工荷载引起的截面应力。该例以跨中截面上、下缘混凝土法向应力进行验算。

计算结果表明，在预加应力阶段，梁的上缘不出现拉应力，下缘的混凝土压应力满足规范要求。

3.4持久状况的应力验算

按持久状况设计的预应力混凝土受弯构件尚应计算其使用阶段正截面的法向应力、受拉钢筋的拉应力及斜截面的主压应力。计算时，荷载取其标准值，不计分项安全系数，而汽车荷载应考虑冲击系数。

3.4.1跨中截面混凝土法向正应力验算

其中：

代入式上式可得：

持久状况下跨中截面混凝土正应力验算满足要求。

3.4.2跨中截面预应力钢筋拉应力计算

由后期恒载及活载作用产生的预应力钢筋截面中心处的混凝土应力为：

所以钢束应力为：

4　抗裂性验算

4.1短期效应组合的正截面抗裂验算

正截面抗裂验算取跨中截面进行。

4.1.1预压应力

预加力产生的构件抗裂验算边缘混凝土预压应力的计算，跨中截面：

4.1.2法向拉应力

由荷载产生的构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力的计算，有：

4.2短期效应组合斜截面抗裂验算

斜截面抗裂预应力混凝土空心简支板验算应取剪力和弯矩均较大的最不利区段截面进行，这里仍取剪力和弯矩均较大的L/4截面进行计算。

4.2.1剪应力

4.2.2正应力

4.2.3主应力

5　结语

预应力混凝土桥梁是应用最为广泛的桥梁形式。据国外统计,预应力混凝土桥梁是各类桥梁中缺陷率最低、耐久性最好的桥型。上世纪末以来,国外预应力混凝土桥梁发展呈现的特征是跨度记录不断刷新,耐久性进一步提高,预制拼装结构与体外力筋得到大规模应用。这些,有赖于高性能混凝土，以及耐腐蚀筋材和力筋的应用。国内的发展情况是桥梁建设速度明显加快,优质高强材料得到推广,桥梁建设的相关标准规范不断修订。这些变化推动着桥梁建设领域新理论、新技术、新方法的涌现。由于预应力混凝土空心简支板梁具有构造简单、受力明确的特点,可以工厂化预制,便于质量控制和降低成本；它还可以根据需求,采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构，并就地现浇为适应各种形状的弯、坡、斜桥。因此,在一般公路、高等级公路和城市道路桥梁中广泛采用。本文以具体工程设计资料为依托,根据已有设计资料,依据最新版的桥梁设计规范,分析了相关理论计算依据,对预应力混凝土结构计算方法进行了初步研究,对桥梁上部结构进行了详细的设计验算。其结果表明：该结构满足强度、刚度及稳定性的要求，可为今后类似工程提供参考资料。

图13　部分关键测点主应力幅随加载次数的变化情况

4　结论

通过模型试验研究了鳌江四桥主桥组合梁桥面板剪力滞效应和索梁锚固构造疲劳性能两个关键技术问题，得到以下结论：

（1）钢混组合梁剪力滞系数试验数据与计算数据总体较吻合；主梁在施工及成桥运营阶段，剪力滞系数约为1.03～1.36。

（2）索梁锚固模型疲劳试验过程中，各次静力加载下结构应力分布保持稳定，板件均处于弹性状态；在疲劳加载试验中各测点应变值波动范围均很小，动应力幅值均在60 MPa内；经过200万次循环加载后，试验模型未出现裂纹和异常现象，索梁锚固结构具有足够的疲劳强度。

[1]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]BS 5400-5:Steel,concrete and composite bridges[S].Part10.Code of practice for fatigue.London:British Standard Institution,1979.

U448.21+2

B

1009-7716（2016）10-0064-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.020

2016-07-01

陈海洋（1978-），男，吉林榆树人，高级工程师，从事路桥工程设计工作。