简支变连续桥负弯矩区长期性能研究

邓园园

(湖南省公路设计有限公司，湖南 长沙 410076)

简支变连续桥梁不仅可以工厂制作且安装简单，还有行车舒适平顺等优点，且兼具简支梁桥和连续梁桥的特点。简支变连续桥梁具有预制梁的优势特性，提高施工质量，同时使桥梁行车更加舒适。但是简支变连续梁桥，负弯矩区桥面开裂问题比较典型[4-6]。

简支变连续梁桥湿接缝浇筑完毕，一般需进行体系转换。吊装阶段为静定体系的简支结构，结构连续后，需要按连续体系计算，这时应考虑收缩徐变产生的次内力、次应力以及内力重分布等[7-9]。

简支变连续梁桥同时均有简支梁桥和连续梁桥的性能，墩顶负弯矩区受力状态是该类桥梁要点，负弯矩区的配筋形式、有效应力、收缩徐变等参数均会对弯矩区长期性能产生影响。本文以某4跨40 m简支变连续T梁桥为背景，利用MIDAS/civil软件对全桥结构模型进行计算，讨论负弯矩区不同配筋形式、不同预应力、不同徐变模式下的结构内力分布。

1 简支变连续结构受力特点

混凝土收缩徐变对简支变连续结构会产生影响。超静定结构中产生收缩徐变会在结构中产生徐变次内力[9]。

简支变连续结构体系在连续前，徐变收缩已部分完成，对内力分布的改变量减小。吊装完成进行湿接缝的浇筑，湿接缝以及整个结构产生徐变，进而使超静定结构的连续梁桥产生负弯矩，图1为简支变连续梁桥在恒定荷载作用下的内力简图。

图1 简支变连续梁桥的恒载内力简图

简支结构在时结构自重弯矩，在时转化为连续体系后，经过混凝土徐变重分布，连续结构中在时的弯矩，如式(1)所示。

Mgt=M1g+(M2g-M1g)×

{1-e-[φ(t,τ0)φ(τ,τ0)]}

(1)

式中：Mgt为恒载作用下弯矩；M1g为桥面板浇筑前整体结构在恒载作用下的弯矩；M2g为桥面板浇筑后整体结构在恒载作用下的弯矩；φ(t,τ0)为从加载龄期τ0至t时的徐变系数；φ(τ,τ0)为从加载龄期τ0至τ时的徐变系数。

连续结构中在时的预加力弯矩Mpt可按式(2)、式(3)进行计算：

{1-e-[φ(t,τ0)φ(τ,τ0)]}

(2)

(3)

2 工程概况

以某4 m×40 m简支变连桥梁T梁桥为例，利用MIDAS有限元分析软件构建计算模型，讨论收缩徐变、负弯矩配筋、张拉情况对变连续梁桥内力分布的影响规律。图2、图3为桥梁的立面图和截面图，其中图2示意出了该桥跨数分布情况。

图2 立面图(单位:mm)

(a)支点截面

3 负弯矩区配筋设计

3.1 计算模型

采用MIDAS/CIVIL对该桥进行理论模拟，按铰接板法计算横向分布系数，选取边T梁进行分析。图4为MIDAS分析模型。表1对该桥的施工过程进行了描述。第6阶段主要用于考虑收缩徐变的影响，考虑长期影响10 a，计3 650 d，按对数函数自动划分为15个分步过程。表1中的收缩徐变模式，JTG-28表示采用JTG 336规范的收缩徐变模式进行计算，加载凝期(存梁时间)为28 d。

图4 计算模型

表1 施工过程Table Constructionprocess施工阶段阶段描述阶段时间徐变模型1存梁及吊装14/30/602墩顶负弯矩区浇注73张拉负弯矩区钢束14支座转化1JTGD62模型ACI徐变模型PCA徐变模型5施加二期荷载30610a收缩徐变3650

表1中所采用的收缩徐变模型主要包括：ACI模型[10]、PCA模型[11]，桥梁设计规范JTG模型[12]，图5展示了加载龄期为14 d的C50混凝土3种徐变模型下收缩应变及徐变系数对比。

(a)收缩应变对比

由图5可知，随着时间的增长，JTG模型与PCA模型具有相近的徐变系数和收缩应变，但徐变系数明显高于ACI模型，ACI模型预测得到收缩终值比JTG模型小3.6倍。由图5看出：不同的规范模型存在明显差异。

3.2 分析结果

图6为不同存梁时间JTG模型计算结果，图6显示：随着存梁时间增加，墩顶负弯矩区上缘应力有降低的趋势，下缘应力却有增加的趋势，截面曲率趋于合理。

图6 结构受力简图

表2 计算结果Table2 Summaryofcalculationresults计算模型墩顶截面应力/MPa截面上缘截面下缘第2跨跨中位移/mmJTG-14-3.79-0.234.78JTG-30-3.68-0.384.07JTG-60-3.60-0.493.51PCA-14-3.87-0.114.53PCA-30-3.74-0.293.66PCA-60-3.63-0.443.03ACI-14-3.63-0.482.48ACI-30-3.52-0.622.06ACI-60-3.46-0.711.81

表2为JTG模型、PCA模型和ACI模型成桥10 a后应力以及位移结果。PCA模型墩顶截面下缘应力计算最小，JTG模型其次，ACI模型最大。

4 支座负弯矩区配筋设计

4.1 负弯矩区配筋设计

负弯矩配筋会影响结构受力[13-14]，本文采用如下方案进行配筋：①方案1：按简支梁由荷载平衡法确定正弯矩区预应力钢筋，在支座区裂缝宽度控制法进行普通钢筋设计。②方案2：按连续梁确定支座及跨中负弯矩预应力钢筋。③方案3，采用支座负弯矩钢束控制墩顶截面应力。表3展示了不同方案配筋结果。图7为方案3的配筋布置简图。

表3 配筋设计Table3 Designschemeofprestress-steel位置方案1方案2方案3跨中7×9-Φj15.244×9-Φj15.245×9-Φj15.24支座10×Φ258×4-Φj15.246×4-Φj15.24

(a)支座截面 (b)跨中截面

4.2 结果分析

分别对不同配筋方案在短期、长期作用下不同翼缘截面最大最小应力进行比较。

a.短期组合应力分析。

图8对比了3种方案下支座负弯矩区截面应力情况，图8仅表示出对称结构前2跨的情况。表4展示了不同配筋情况下支座截面应力汇总，其中受压为“-”受拉为“+”。

图8 不同方案短期应力对比(单位：MPa)

表4 方案支座截面应力汇总Table4 SummaryofcrosssectionstressofschemesupportMPa方案截面下缘上缘最小最小最小最大方案11#墩-4.671.080.672.342#墩-3.850.750.911.23方案21#墩-7.75-1.87-2.41-0.602#墩-8.42-0.17-3.650.32方案31#墩-7.880.06-2.541.332#墩-7.900.88-3.141.37

对比3种方案发现方案3在应力分布上较为合理。设计阶段合理配筋优化结构上缘拉应力并实现经济上的合理应用。

b.长期组合应力分析。

图9及图10展示了3种方案下徐变作用负弯矩区缘应力对比。

图9 徐变10 a后支座负弯矩区下缘应力(单位：MPa)

图10 徐变10 a后支座负弯矩区上缘应力(单位：MPa)

由图9、图10可以看出，随着成桥后时间的增大，在徐变作用下支座负弯矩区下缘应力有增大的趋势，而下缘压应力减小的趋势减缓并趋于平衡，合理配筋可使应力趋于均匀。

5 结论

以4跨40 m简支变连续T梁桥为背景，利用MIDAS/civil创建全桥结构模型，讨论负弯矩区不同配筋形式、不同预应力、不同收缩徐变模型的影响。得出以下主要结论：

a.收缩徐变产生地长期效应会较大地影响负弯矩的应力分布，不同的收缩徐变模式对应力影响较为明显，简支变连续桥梁，合理配筋可使应力趋于均匀。

b.合理的配筋方案可有效地限制简支变连续桥梁负弯矩区拉应力，设计阶段应合理设计墩顶负弯矩钢束，使其既能限制截面上缘拉应力又经济合理。