肖 榮，王 超

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400020)

預(yù)應(yīng)力在施工階段中對曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的影響分析

肖 榮，王 超

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400020)

該文以達(dá)陜高速泥溪溝2號大橋——曲線連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ桃劳?，建立該大橋的三維板單元模型。通過對計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，得到預(yù)應(yīng)力鋼束對不同曲線半徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的變形以及受力的影響，并且總結(jié)了相應(yīng)的變化規(guī)律，為今后此類橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

板單元模型；計(jì)算數(shù)據(jù)；預(yù)應(yīng)力鋼束；連續(xù)剛構(gòu)橋

1 預(yù)應(yīng)力布置

該文以達(dá)陜高速泥溪溝2號大橋連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行研究。大橋單幅以中跨跨中截面對稱分布，半橋節(jié)段劃分及預(yù)應(yīng)力空間分布如圖1所示。

圖1 縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置圖

2 預(yù)應(yīng)力鋼筋作用原理

采用Midas FEA軟件中自帶的四邊形板單元對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算[1]。該文在板單元中插入的是桿式鋼筋，Midas FEA軟件中其作用原理為：在曲板單元的桿式鋼筋有兩節(jié)點(diǎn)或三節(jié)點(diǎn)鋼筋。桿式鋼筋位置由鋼筋節(jié)點(diǎn)決定。通過前處理過程鋼筋被分割成鋼筋段。每個(gè)鋼筋都屬于各自的母單元。鋼筋線可定義為空間曲線，由兩個(gè)鋼筋線組成的鋼筋。第一個(gè)鋼筋線是由兩個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的直線鋼筋線，第二個(gè)鋼筋線是由三個(gè)鋼筋節(jié)點(diǎn)組成的高階曲線鋼筋線。每個(gè)鋼筋線在穿越板單元網(wǎng)格時(shí)會生成交點(diǎn)，即鋼筋段定位點(diǎn)。鋼筋線由這些定位點(diǎn)被分割成鋼筋段。曲線鋼筋線被分割成高級鋼筋段。各定位點(diǎn)在相應(yīng)板單元的中性面可以有沿單元坐標(biāo)軸z方向的偏心。偏心信息是鋼筋在板單元中的實(shí)際位置的信息。

3 施工階段預(yù)應(yīng)力對橋梁的影響分析

由于懸臂施工階段結(jié)構(gòu)為靜定體系，且懸臂上只受負(fù)彎矩，目前設(shè)計(jì)中通常只配置頂板預(yù)應(yīng)力束和豎向預(yù)應(yīng)力。在施工過程中最大懸臂階段是應(yīng)力最不利工況，因此計(jì)算取懸臂最長工況進(jìn)行[2]。

3.1 豎向位移分析

圖2 懸臂端截面頂板豎向位移

圖3 懸臂1/2截面頂板豎向位移

從圖2～3可以看出在設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼束作用下：

（1）分析沿橋梁縱向各個(gè)截面的豎向位移值（以曲線半徑為800m的橋梁作為研究對象），發(fā)現(xiàn)懸臂端截面和懸臂1/2截面外側(cè)的上翹值分別為22.9cm和6.36cm。表明豎向位移由懸臂根部到懸臂端部逐漸增大。究其原因在于，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋中存在初彎矩及彎扭耦合效應(yīng)。

（2）箱梁的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生了初扭矩，致使箱梁梁體發(fā)生了偏向曲線內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)。就曲線半徑是800m的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋而言，懸臂端部截面與1/2截面，其截面內(nèi)側(cè)和外側(cè)高差分別為0.4cm和0.1cm。

（3）曲率半徑愈小，截面內(nèi)外弧側(cè)差值愈大；當(dāng)曲線半徑足夠大時(shí)與直線橋梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)一致，說明曲線半徑越大，越接近直線橋的計(jì)算結(jié)果。但是曲線橋和直線橋的差值在0.3cm以內(nèi)。

（4）對計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)：直線懸臂剛構(gòu)與曲線懸臂剛構(gòu)均呈現(xiàn)懸臂端部高于懸臂根部的上拱現(xiàn)象。800m曲線半徑橋梁懸臂端截面的上拱值為22.9cm，直線橋端部截面的上拱值為22.74cm。

3.2 扭轉(zhuǎn)角分析

該文中的扭轉(zhuǎn)角指的是頂板翼緣板的內(nèi)外兩側(cè)豎向位移的差值與梁寬的比值規(guī)定向曲線內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)為正，向曲線外側(cè)轉(zhuǎn)為負(fù)[3]。

圖4 懸臂端部到根部各截面扭轉(zhuǎn)角分布

圖5 橋梁縱向扭轉(zhuǎn)角分布圖

從圖4～5中可以看出，在對稱配置頂板預(yù)應(yīng)力束作用下：

（1）自重使箱梁產(chǎn)生了與頂板預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角方向一致的扭轉(zhuǎn)，二者共同使梁體產(chǎn)生了向曲線內(nèi)弧側(cè)的扭轉(zhuǎn)。自重在懸臂端部截面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為0.6°，而預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角僅為0.05°，可見自重產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角比預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大得多，相差12倍。

（2）扭轉(zhuǎn)角縱向上的分布規(guī)律是相同的，不會隨曲線半徑的變化而變化。但是值得注意的是隨著曲線半徑的減小，相同位置截面的扭轉(zhuǎn)角也越大。所計(jì)算模型中曲線半徑為800m的剛構(gòu)橋端部截面的扭轉(zhuǎn)角最大為0.17°。

（3）當(dāng)曲線的半徑一定時(shí)，懸臂T構(gòu)扭轉(zhuǎn)角從根部到端部逐漸增大。曲線半徑為800m的剛構(gòu)橋兩個(gè)截面間的扭轉(zhuǎn)角變化值約為0.15°，而直線剛構(gòu)橋不存在扭轉(zhuǎn)角。

3.3 正應(yīng)力分析

3.3.1 分析頂板正應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力鋼筋在最大懸臂狀態(tài)引起的懸臂端部，懸臂1/2，及懸臂根部截面的正應(yīng)力分布曲線如圖6～7所示。

圖6 最大懸臂狀態(tài)端部截面頂板正應(yīng)力

圖7 最大懸臂狀態(tài)根部頂板正應(yīng)力分布

從圖可以看出:在對稱布置預(yù)應(yīng)力束作用下：

（1）800m半徑的T構(gòu)懸臂端部截面的變化區(qū)間為-0.34MPa～-1.65MPa，相差1.3MPa。剪力滯現(xiàn)象比較明顯。

（2）在預(yù)應(yīng)力鋼束的作用下，T構(gòu)頂板產(chǎn)生壓應(yīng)力最大可達(dá)-20MPa，底板大部分承受拉應(yīng)力最大可達(dá)5MPa。值得注意的是，底板上的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在固結(jié)墩和主梁交界處，根據(jù)分析是應(yīng)力重分布的原因，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對該區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)。

（3）沿橋跨方向上，頂板的正應(yīng)力分布規(guī)律是由懸臂端部到懸臂根部頂板壓應(yīng)力越來越大。就直線橋而言，端部截面最大正應(yīng)力為-1.64MPa，懸臂1/2截面最大應(yīng)力為-13.65MPa，墩頂截面處最大可達(dá)-20.61MPa。

3.3.2 頂板剪力滯效應(yīng)分析

剪力滯系數(shù)的定義:上頂板和下底板的正應(yīng)力值沿頂?shù)装鍖挾确e分，然后除以上頂板和下底板的寬度，得到一個(gè)平均正應(yīng)力，再運(yùn)用這個(gè)平均值去除各點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力值，即得各點(diǎn)的剪力滯系數(shù)[4]。

從圖8～9可見，對稱布置的頂板預(yù)應(yīng)力鋼束是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生如下結(jié)果：

圖8 端部截面最大懸臂狀態(tài)剪力滯

圖9 根部截面最大懸臂狀態(tài)剪力滯

（1）當(dāng)曲線半徑≥800m時(shí)，剪力滯系數(shù)之大小幾乎不隨曲線半徑的變化而變化。由于彎扭耦合作用的存在使得懸臂根部截面內(nèi)弧側(cè)比外弧側(cè)剪力滯系數(shù)大。但是內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)相差僅為0.03。

(2)在頂板橫向上剪力滯系數(shù)的分布規(guī)律為：腹板附近剪力滯系數(shù)小于1；截面中點(diǎn)附近及翼緣板上剪力滯系數(shù)大于1。即施工階段預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生的是負(fù)剪力滯效應(yīng)。沿橋梁縱向上，最大剪力滯系數(shù)的位置發(fā)生了變化：靠近端部截面最大剪力滯出現(xiàn)在兩肋板中間；靠近懸臂根部的截面最大剪力滯系數(shù)將出現(xiàn)在翼板上。

(3)懸臂根部截面、懸臂1/2截面、懸臂端部截面的最大剪力滯系數(shù)分別為1.03、1.04、1.7。由前述三個(gè)數(shù)值發(fā)現(xiàn)，在橋跨方向上剪力滯系數(shù)由懸臂根部到懸臂端部逐漸減小。更深入分析得出從端部到1/2截面數(shù)值變化較大，但是從懸臂1/2截面到根部截面變化較小的結(jié)論。

4 實(shí)際工程應(yīng)用成果分析

應(yīng)用研究的成果對某大橋?qū)嵤┝耸┕み^程的監(jiān)控。在施工過程中綜合分析自重、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、二期恒載及活載對橋梁的作用，在此基礎(chǔ)上對施工過程中橋梁的線形和應(yīng)力做了科學(xué)的預(yù)測。其中對預(yù)應(yīng)力在施工階段中對曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的深入研究和探討，成為促進(jìn)大橋成功合攏的決定性因素。首先定性的分析了變形和受力在橋梁縱向和橫向的分布規(guī)律，使得施工控制工作有了著重點(diǎn)。再次定量地給出了大橋施工過程中準(zhǔn)確的變形值，這對大橋的線形控制及最終合攏起到關(guān)鍵性的作用。而且事實(shí)證明施工過程中大橋的應(yīng)力狀態(tài)和該文研究結(jié)果基本一致，這就為提前預(yù)測下一階段施工后的應(yīng)力水平提供依據(jù)，保證施工過程安全有序的進(jìn)行。

5 結(jié)束語

目前多采用桿系單元對曲線梁進(jìn)行研究，這種單元不能充分體現(xiàn)箱梁橫向上應(yīng)力的變化規(guī)律，對于變截面曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的研究還存在不足；預(yù)應(yīng)力對該種橋型的空間受力影響更是缺乏系統(tǒng)的研究；該文從實(shí)際出發(fā)，詳細(xì)探討了在施工階段預(yù)應(yīng)力對該種結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，得出了有意義的結(jié)論。

[1]王超.曲線連續(xù)剛構(gòu)橋空間受力分析[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2011:45.

[2]呂昌武.高墩大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)空間受力分析與施工控制[D].西安:長安大學(xué)，2006:31.

[3]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4]彭大文.連續(xù)彎箱梁橋剪滯效應(yīng)分析和實(shí)用計(jì)算法研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，1998，11(3):41-49.

責(zé)任編輯:李 紅

The Effect of Prestressing Force on Curved Continuous Frame Bridge in Construction Progress

Based on curved continuous frame bridge,a three-dimensional plate element model of the bridge is set.The authors analyze the effect of prestressing tendon on the transform and internal forces of curved continuous frame bridges with different radius and summarize relevant changing rules. This can provide some reference for the design and construction of such kind of bridge.

plate element model;calculated data;prestressing tendon;curved continuous frame bridge

U446

A

1671-9107（2012）07-0035-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.07.035

2012-05-28

肖榮（1972-），男，四川達(dá)州人，本科，助理工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固的研究。

王超（1985-），男，山東臨沂人，碩士，助理工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固的研究。