張燕清

(三明市高速公路有限責(zé)任公司， 福建 三明　365000)

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連續(xù)箱梁橋豎向預(yù)應(yīng)力改善腹板抗裂性的應(yīng)用分析

張燕清

(三明市高速公路有限責(zé)任公司， 福建 三明365000)

摘要：大跨徑預(yù)應(yīng)力箱梁因其受力優(yōu)勢(shì)在福建山區(qū)高速公路得到廣泛運(yùn)用。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋腹板裂縫的存在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性造成嚴(yán)重影響。豎向預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用是提高大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋腹板抗裂性的有效手段?；?次控制張拉豎向預(yù)應(yīng)力在福建省某高速連續(xù)箱梁橋的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉對(duì)腹板抗裂性的影響進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋；豎向預(yù)應(yīng)力；2次張拉；腹板抗裂性

福建省地處我國(guó)東南丘陵地區(qū)，山地面積比例高。近年來(lái)，隨著福建省高速公路建設(shè)向西部、北部山區(qū)延伸，高墩大跨徑箱梁橋因其強(qiáng)大的跨越能力和成熟的施工技術(shù)在該省得到廣泛運(yùn)用[1-2]。隨著交通流日益增大，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋截面寬度也相應(yīng)增加，而箱形截面可有效抵抗正負(fù)彎矩，抗彎剛度和抗扭剛度均較大，且整體性較好。

但是，大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋在施工和運(yùn)營(yíng)期間的腹板斜向裂縫問(wèn)題尤為突出。其產(chǎn)生原因很多，且往往是結(jié)構(gòu)特性、設(shè)計(jì)、施工、材料、工藝等綜合因素作用的結(jié)果[3-6]。該類橋梁大多采用懸臂法施工，部分大跨度橋梁甚至在施工過(guò)程中腹板就出現(xiàn)了斜向裂縫。

本文以福建省某高速公路連續(xù)箱梁橋施工為例，對(duì)腹板豎向預(yù)應(yīng)力張拉進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，并根據(jù)箱梁腹板的受力特點(diǎn)，研究腹板豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉對(duì)腹板抗裂性的影響。

1工程概況

福建省某在建預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋跨徑布置為50 m+90 m+50 m，截面形式為單箱單室，單幅橋?qū)?2 m。該橋采用C50混凝土材料，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用鋼絞線，其公稱直徑15.2 mm，面積140 mm2，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力1 357.8 MPa，彈性模量為1.95×105MPa。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用32 mm精軋螺紋鋼，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度930 MPa，彈性模量2.0×105MPa，張拉控制應(yīng)力790.5 MPa。

該橋第4#節(jié)段施工完成后發(fā)現(xiàn)腹板出現(xiàn)斜裂縫，裂縫在箱梁兩側(cè)對(duì)稱產(chǎn)生，長(zhǎng)約3 m，方向約為40°，基本與腹板下彎束預(yù)應(yīng)力筋方向一致。現(xiàn)場(chǎng)裂縫檢測(cè)如圖1所示。經(jīng)各方多次討論，認(rèn)為其屬于施工過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫，是由于腹板主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度所致，建議進(jìn)行豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋2次張拉。考慮混凝土施工過(guò)程中其收縮徐變對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響很大，因此建議2次張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)超張拉至120%，以分析張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)腹板抗裂性的影響。

圖1　某在建剛構(gòu)橋梁懸臂施工腹板斜裂縫

2理論分析

箱梁腹板是箱梁截面受力最復(fù)雜的部位之一，它受橋梁縱向彎矩、軸力以及橫向剪力、彎矩的作用。腹板設(shè)計(jì)主要由剪力控制。常規(guī)布置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，箱梁腹板平面應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示[6]。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋而言，支座部位的剪力最大，跨中剪力往往最小。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的抗剪設(shè)計(jì)集中在支座到1/4跨之間。腹板剪應(yīng)力主要由縱向彎曲剪應(yīng)力和橫向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力組成。剪力一般由混凝土和截面上的剪力配筋來(lái)抵抗。預(yù)應(yīng)力施加的預(yù)壓力在預(yù)應(yīng)力筋方向一般為壓應(yīng)力，且在垂直于鋼束走向的混凝土主拉應(yīng)力較大，其是致使腹板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斜裂縫的重要因素[7]。

圖2　箱梁腹板平面應(yīng)力狀態(tài)

預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗裂性驗(yàn)算都是以構(gòu)件混凝土拉應(yīng)力是否超過(guò)規(guī)定的限值來(lái)判定，梁體斜截面抗裂性驗(yàn)算通過(guò)構(gòu)件混凝土主拉應(yīng)力σtp驗(yàn)算來(lái)控制。JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定斜截面抗裂性驗(yàn)算只需驗(yàn)算混凝土在短期效應(yīng)組合下的主拉應(yīng)力σtp，并在第6.3.3條給出主拉應(yīng)力σtp計(jì)算式為：

式中：σcx為自重及外荷載等作用下混凝土的軸向應(yīng)力；σcy為豎向預(yù)應(yīng)力作用下混凝土的豎向應(yīng)力；τ為混凝土剪應(yīng)力。

該公式從縱向和豎向二維來(lái)分析主拉應(yīng)力，且分析基于平截面假定和桿系模型2個(gè)基本條件，忽略了剪滯效應(yīng)、翹曲畸變效應(yīng)等橫向因素對(duì)應(yīng)力分布不均勻的影響，忽略了橫向力等對(duì)主應(yīng)力大小的影響，計(jì)算得出的主拉應(yīng)力必然小于實(shí)際梁體主拉應(yīng)力的最大值。此外，該規(guī)范規(guī)定的荷載效應(yīng)基于短期效應(yīng)組合，實(shí)際上是運(yùn)營(yíng)階段梁體的應(yīng)力驗(yàn)算，而對(duì)橋梁施工過(guò)程中箱梁腹板的應(yīng)力狀態(tài)一般不進(jìn)行正常使用時(shí)極限狀態(tài)(抗裂)計(jì)算?？紤]運(yùn)營(yíng)階段梁體應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，除了腹板本身復(fù)雜的受力狀況外，往往忽略施工過(guò)程中梁體應(yīng)力狀況的改變。

3有限元分析

采用大型有限元通用軟件MIDAS FEA建立模型，對(duì)福建省某高速公路連續(xù)箱梁橋懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部分析。梁體結(jié)構(gòu)采用3D 8節(jié)點(diǎn)6面體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用實(shí)體線段模擬，計(jì)算不考慮管道影響，模型如圖3所示。有限元模擬以橋梁前5節(jié)段(0#～4#)箱型塊件作為計(jì)算模型，計(jì)算考慮掛籃重量和施工荷載，并考慮加載后續(xù)節(jié)段重量荷載的影響。

圖3　橋梁模型

模擬過(guò)程基于應(yīng)力變化而非施工流程，施加豎向預(yù)應(yīng)力荷載時(shí)，觀察腹板豎向鋼筋對(duì)腹板梁體應(yīng)力分布的影響。模擬流程如下：建立梁體模型→張拉4#節(jié)段腹板束→張拉4#節(jié)段頂板束→張拉50%豎向預(yù)應(yīng)力→張拉120%豎向預(yù)應(yīng)力。每一流程環(huán)節(jié)計(jì)算1次，觀察腹板梁體應(yīng)力分布。通過(guò)有限元軟件模擬施工各流程，得到各階段的模型主應(yīng)力云圖，如圖4所示。模型考慮了混凝土的收縮徐變和預(yù)應(yīng)力損失，零號(hào)塊與墩柱之間為全固結(jié)的約束條件。

圖4　箱梁主應(yīng)力云圖

通過(guò)有限元模型施工模擬分析，可以得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉能夠很好地提高腹板混凝土主拉應(yīng)力方向的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能。對(duì)4#塊進(jìn)行局部主應(yīng)力分析，可得到主應(yīng)力云圖和腹板預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)局部主應(yīng)力圖，分別如圖5、圖6所示。

圖5　4#塊局部主應(yīng)力云圖

圖6　4#塊腹板預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)局部主應(yīng)力圖

根據(jù)有限元計(jì)算模型，分別提取沿腹板預(yù)應(yīng)力鋼束混凝土單元在不同施工節(jié)段的應(yīng)力，如圖7所示。從圖7可以看出，腹板預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后，在錨固位置及腹板預(yù)應(yīng)力鋼束走向位置會(huì)出現(xiàn)主拉應(yīng)力較為集中的區(qū)域；待豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后，主拉應(yīng)力值有相應(yīng)減小。由此可知，張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠改善箱梁腹板的受力狀況，并減弱應(yīng)力集中區(qū)的拉應(yīng)力。

圖7　不同施工節(jié)段沿腹板預(yù)應(yīng)力鋼束混凝土單元應(yīng)力

4實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際工程中，福建省某高速公路連續(xù)箱梁橋調(diào)整了豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉工法，對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行了2次張拉。成橋后交工驗(yàn)收混凝土結(jié)構(gòu)裂縫外觀檢查結(jié)果見(jiàn)表1。

經(jīng)交工驗(yàn)收修補(bǔ)后，福建省某高速公路連續(xù)箱梁橋運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)其個(gè)別裂縫開(kāi)展情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂縫的縫寬、縫長(zhǎng)有增大趨勢(shì)。

5結(jié)論

1) 按照有限元分析得到的箱梁節(jié)段主應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)箱梁腹板施加豎向預(yù)應(yīng)力后，箱梁腹板受力狀況得到極大改善，腹板混凝土的主拉應(yīng)力方向的壓應(yīng)力儲(chǔ)備也得到提高，從而提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

2) 考慮混凝土收縮徐變?cè)谑┕ぶ袑?duì)預(yù)應(yīng)力的影響很大，建議2次張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)應(yīng)超張拉至120%。

表1　福建省某高速公路連續(xù)箱梁橋成橋交工驗(yàn)收混凝土結(jié)構(gòu)裂縫外觀檢查結(jié)果

3) 施工實(shí)踐表明，初次張拉50%豎向預(yù)應(yīng)力不能避免現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中拉應(yīng)力引起腹板裂縫產(chǎn)生，原因在于混凝土的收縮與徐變對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力損失有較大影響?？紤]到裂縫產(chǎn)生后的不可逆性，建議適當(dāng)調(diào)整豎向預(yù)應(yīng)力初次張拉的百分比和2次張拉的時(shí)間差。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)粱橋[M].北京：人民交通出版社，1988.

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Analysis for Application of Vertical Prestress in Continuous Box-girder Bridges for Improvement of Crack Resistance of Webs

ZHANG Yanqing

Abstract:Large-span prestressed box girders are widely applied for expressways in mountainous area of Fujian due to their mechanical advantages. Existence of cracks on webs of large-span prestressed concrete continuous box-girder bridges causes serious influences on safety, availability and durability of bridge structures. The application of vertical prestress is effective means to improve crack resistance of webs of large-span prestressed concrete continuous box-girder bridges. Based on the application examples of vertical prestress by means of the secondary control tension in continuous box-girder bridge on some expressway in Fujian Province, this paper analyzes the influences of tensioning of vertical prestressed reinforcements on crack resistance of webs.

Keywords:bridge project; prestressed concrete continuous box-girder bridge; vertical prestress; secondary tension; crack resistance of web

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0079-04

中圖分類號(hào)：U448.21+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張燕清(1964-)，男，福建省莆田市人，本科，高工。

收稿日期：2015-12-21

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.018