藍(lán)明祥

（新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆烏魯木齊 831100）

預(yù)應(yīng)力砼單箱多室超寬梁橋空間受力性能分析

藍(lán)明祥

（新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆烏魯木齊 831100）

以某單箱多室預(yù)應(yīng)力砼超寬箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于箱梁橋的梁格、梁板及?shí)體有限元模型，結(jié)合實(shí)際施工步驟，重點(diǎn)研究超寬箱梁橋的空間力學(xué)特性。結(jié)果表明，超寬箱梁端橫梁附近區(qū)域在施工階段的應(yīng)力水平均較高，正應(yīng)力與主拉應(yīng)力較大，施工階段的應(yīng)力水平受預(yù)應(yīng)力束張拉次序影響較大，需嚴(yán)格控制施工順序并對(duì)局部區(qū)域的普通鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)處理，以控制箱梁裂縫的萌生及發(fā)展；同時(shí)為確保結(jié)構(gòu)安全，需采用空間模型對(duì)橋梁的施工過程進(jìn)行校核。

橋梁；超寬箱梁；預(yù)應(yīng)力施工；受力性能

預(yù)應(yīng)力砼單箱多室寬箱梁橋因具有耐久性能良好、縱橫向受力合理、施工養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在城市橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。為了減輕該類箱梁橋的自重，通常將其頂、底腹板進(jìn)行薄化處理，并配備寬翼緣，組成大懸臂薄壁箱形結(jié)構(gòu)。因預(yù)應(yīng)力砼寬箱梁橋的懸臂過長、寬跨比及腹板間距過大，現(xiàn)行橋梁規(guī)范均無法完全滿足其設(shè)計(jì)與施工要求。目前，關(guān)于寬箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算大多采用初等梁理論，但該理論無法詳細(xì)反映箱梁的內(nèi)部受力情況，不能準(zhǔn)確分析箱梁的彎曲、畸變、剪力滯等力學(xué)效應(yīng)，致使設(shè)計(jì)方面經(jīng)常出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致橋梁在使用過程中產(chǎn)生局部開裂病害，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全和使用壽命。

該文以某單箱五室預(yù)應(yīng)力砼寬箱梁橋?yàn)槔謩e建立施工階段的梁格、梁板及實(shí)體有限元計(jì)算模型，對(duì)其空間受力性能進(jìn)行對(duì)比分析，得到其主要受力特征，為同類橋梁的合理設(shè)計(jì)提供借鑒。

1　工程概況

某預(yù)應(yīng)力砼寬箱梁橋全長89.2m，跨徑組合為（29.6+30+29.6）m，梁體采用單箱五室結(jié)構(gòu)?？缑鎸挒?5m，底板寬為19m，跨中腹板和支點(diǎn)厚度分別為0.5、0.7m。箱梁縱橫向預(yù)應(yīng)力束布置如圖1～3所示，錨固構(gòu)造如圖4所示。

1#～6#腹板布置預(yù)應(yīng)力鋼束17φs15.24共36束，編號(hào)為N1～N6，各6束。按照鋼束的縱向布置形式，將N1～N6分成N1和N2、N3和N4、N5和N63組，各組與梁端的間距分別為4.3、2.8、0.8m，

圖1　箱梁縱向預(yù)應(yīng)力束布置示意圖（單位：cm）

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圖2　箱梁跨中截面預(yù)應(yīng)力束布置示意圖（單位：cm）

圖3　箱梁支點(diǎn)截面預(yù)應(yīng)力束布置示意圖（單位：cm）

圖4　箱梁預(yù)應(yīng)力束錨固構(gòu)造（單位：cm）

箱梁部分采用滿堂支架立?，F(xiàn)澆施工，砼分2次進(jìn)行澆筑，第1次澆筑箱梁的底板、腹板和部分橫墻，以形成槽形開口箱；第2次澆筑箱梁的頂板、翼緣板等剩余部分。

2　有限元模型

該橋的跨徑為30m，梁高為1.5m，橋面寬為25m，與雙向板的受力特征相似，普通單梁格法無法滿足計(jì)算要求。因此，在MIDAS的基礎(chǔ)上采用梁格法和板梁耦合法進(jìn)行分析。因MIDAS無法準(zhǔn)確計(jì)算施工階段箱梁腹板底部的應(yīng)力結(jié)果，運(yùn)用Abaqus對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)體有限元計(jì)算分析。

2.1梁格模型

主梁截面通過MIDAS劃分成6個(gè)梁格單元，跨中截面的劃分如圖5所示。

圖5　主梁橫截面梁格單元?jiǎng)澐?/p>

以精細(xì)、準(zhǔn)確為原則，對(duì)主梁縱向網(wǎng)格進(jìn)行劃分，跨中部分各梁段的網(wǎng)格密度均為2m；支座附近梁段，由于需考慮支座定位、預(yù)應(yīng)力筋錨固、破壞位置等因素的影響，將其網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，邊梁附近1.5 ～4.3m范圍內(nèi)梁段網(wǎng)格細(xì)分為4×0.25m+6× 0.3m。梁支座使用彈性連接，功能僅設(shè)置為受壓；虛梁選取工字形截面，腹板厚度設(shè)為1mm，翼緣厚度取主梁頂、底板的厚度，并通過截面調(diào)整系數(shù)將其自重調(diào)整為零。

2.2梁板模型

梁板模型采用板單元模擬主梁的頂、底板，采用梁單元模擬主梁腹板，并通過剛性連接將梁、板單元組成整體，以位移變形協(xié)調(diào)條件來滿足共同受力。梁板模型的截面形式和應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)如圖6所示。

圖6　板梁模型截面及應(yīng)力分布示意圖

依據(jù)支座中心、預(yù)應(yīng)力筋錨固及主梁變截面將支座附近網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其中跨中部分梁段的網(wǎng)格密度為1m；支座附近的梁端，同樣需考慮支座定位、預(yù)應(yīng)力筋錨固、破壞位置等因素的影響，按照梁格模型中支座附近梁段進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用剛性連接將主梁頂、底板組成一個(gè)整體，并按相對(duì)位置進(jìn)行建模。另外，變厚度翼緣板和變截面厚度均采用平均厚度等效。

2.3空間實(shí)體有限元模型

運(yùn)用Abaqus建立主梁結(jié)構(gòu)空間實(shí)體三維模型（如圖7所示），砼采用三維可變性實(shí)體C3D10M單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用三維線性桁架T3D2單元模擬。將距梁端1.5～4m范圍內(nèi)關(guān)心變腹板區(qū)段的網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格密度設(shè)為0.25m，其余部分網(wǎng)格密度設(shè)為0.5m?？紤]到各梁段中橫縱預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的有效預(yù)應(yīng)力存在較大差異，對(duì)其簡化后，僅取所關(guān)心變腹板區(qū)段的平均有效預(yù)應(yīng)力。運(yùn)用MIDAS對(duì)預(yù)應(yīng)力損失值進(jìn)行計(jì)算，得出縱、橫向關(guān)心截面考慮預(yù)應(yīng)力的損失分別為28%、29.5%，損失值分別為1004.4、983.48MPa。

圖7　空間實(shí)體有限元模型

實(shí)體模型中除采用固定支架的左橋墩需對(duì)其縱橋向、豎向位移進(jìn)行約束外，其余支座只需將其豎向位移進(jìn)行約束。為保證實(shí)橋模擬的準(zhǔn)確性，取橋墩相應(yīng)位置9個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將其橫橋向位移進(jìn)行約束。

3　模型計(jì)算結(jié)果

工序劃分如下：1）支架的現(xiàn)澆及主梁施工；2）張拉端橫梁部位的預(yù)應(yīng)力束N1、N2；3）依次張拉1#和6#、2#和5#、3#和4#腹板對(duì)應(yīng)的N1～N6預(yù)應(yīng)力束；4）張拉端橫梁部位的預(yù)應(yīng)力束N3、N4。

對(duì)于靠近支座的梁段，由于端橫梁的寬度為1.5m，不考慮距梁端1.75m范圍內(nèi)的應(yīng)力。

3.1梁格模型

完成工序2（張拉端橫梁部位的預(yù)應(yīng)力束N1、N2）和工序4（張拉端橫梁部位的預(yù)應(yīng)力束N3、N4）后，梁格模型中箱梁各單元截面的應(yīng)力分布分別如圖8、圖9所示。

從圖8可以看出：箱梁的正應(yīng)力和主拉應(yīng)力主

圖8　工序2完成后梁格模型箱梁的應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖9　工序4完成后梁格模型箱梁的應(yīng)力分布（單位：Pa）

要存在于距離梁端1.75～11m范圍內(nèi)的6#號(hào)腹板底部，其中正應(yīng)力最大值為2.222MPa；端橫梁預(yù)應(yīng)力筋錨固點(diǎn)（有應(yīng)力集中現(xiàn)象）和關(guān)心節(jié)段內(nèi)主拉應(yīng)力的最大值分別為3.819、2.222MPa，均處于離梁端4～5m范圍內(nèi)。

從圖9可以看出：箱梁的最大正應(yīng)力和主拉應(yīng)力都處于端橫梁預(yù)應(yīng)力筋錨固端，分別為1.968、3.303MPa，因存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)其不予考慮。關(guān)心梁段的最大主拉應(yīng)力處于距梁端2.8m處，為0.602～1.877MPa；關(guān)心節(jié)段的最大主應(yīng)力處于距梁端1.75m處，為-1.03～0.981MPa。

3.2梁板模型

在完成工序2、工序4后，梁板模型的應(yīng)力分布分別如圖10、圖11所示。

圖10　工序2完成后梁板模型箱梁的應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖11　工序4完成后梁板模型箱梁的應(yīng)力分布（單位：Pa）

從圖10可以看出：端橫梁部位的預(yù)應(yīng)力筋N1、N2完成張拉后，箱梁的最大正應(yīng)力和主拉應(yīng)力的分布情況與梁格模型類似，同樣都處于端橫梁預(yù)應(yīng)力筋的錨固點(diǎn)，分別為2.57、3.98MPa，不予考慮；關(guān)心梁段的正應(yīng)力水平為1.06～1.31MPa，且應(yīng)力最大點(diǎn)位于2～2.5m區(qū)段；梁段的主拉應(yīng)力水平為1.065～1.305MPa，主拉應(yīng)力最大點(diǎn)位于2～2.3m區(qū)段。

從圖11可以看出：正應(yīng)力和主拉應(yīng)力的極值點(diǎn)均出現(xiàn)在箱梁端部的預(yù)應(yīng)力束錨固位置，最大正應(yīng)力為4.10MPa，最大主拉應(yīng)力為5.98MPa；關(guān)心梁段的正應(yīng)力水平為-0.88～3.14MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨后約2.78m處；最大主拉應(yīng)力水平為1.17～3.15MPa，最大主拉應(yīng)力位置與最大正應(yīng)力位置相吻合。

3.3實(shí)體模型

運(yùn)用Abaqus建立考慮施工階段的寬箱梁實(shí)體有限元模型，對(duì)箱梁受力進(jìn)行模擬。完成工序2中部分橫梁預(yù)應(yīng)力束張拉和工序4后，箱梁實(shí)體模型對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布分別如圖12和圖13所示。

從圖12可以看出：邊腹板在梁端附近區(qū)域的正應(yīng)力水平較高，均在0.85MPa以上。受梁端預(yù)應(yīng)力束錨固的影響，應(yīng)力值大于1.15倍砼軸心抗拉強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力較為復(fù)雜，而距端橫梁0.5～2.0m區(qū)域的主拉應(yīng)力值達(dá)0.9MPa以上，該梁段范圍內(nèi)受力較為不利。

圖12　工序2完成后實(shí)體模型箱梁的應(yīng)力分布（單位：Pa）

從圖13可以看出：在完成箱梁預(yù)應(yīng)力張拉后，邊腹板在梁端附近區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力水平明顯提高，距端橫梁0.25～2.0m區(qū)域梁段的正應(yīng)力均大于1.53MPa，距端橫梁0.25～2.25m區(qū)域梁段的主拉應(yīng)力均大于1.60MPa。

3.4計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

基于箱梁橋梁格模型、梁板模型和實(shí)體模型的施工階段模擬，對(duì)箱梁邊腹板距離箱梁1.5m厚端梁0.25～2.5m范圍內(nèi)的正應(yīng)力和主拉應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，工序2、工序4完成后的應(yīng)力結(jié)果分別如表1、表2所示。

圖13　工序4完成后實(shí)體模型箱梁的應(yīng)力分布（單位：Pa）

從表1可看出：在完成第一批橫向預(yù)應(yīng)力束張拉后，各箱梁模型中均出現(xiàn)很高的正應(yīng)力和主拉應(yīng)力水平，關(guān)心梁段的安全系數(shù)較低。針對(duì)實(shí)體模型存在的錨下局部應(yīng)力集中情況，在距端橫梁0.25～0.75m區(qū)段選取腹板底部應(yīng)力作為標(biāo)準(zhǔn)。梁格模型的正應(yīng)力水平為0.729～2.01MPa，梁板模型的正應(yīng)力水平為1.06～1.29MPa，實(shí)體模型的正應(yīng)力水平為0.687～3.02MPa，與之對(duì)應(yīng)的主拉應(yīng)力水平分別為0.752～2.058、1.068～1.306及0.692～4.87MPa。

表1　工序2完成后箱梁的應(yīng)力對(duì)比

表2　工序4完成后箱梁的應(yīng)力對(duì)比

從表2可以看出：在完成全部腹板預(yù)應(yīng)力束及橫梁第二批預(yù)應(yīng)力束張拉后，不同計(jì)算模型對(duì)應(yīng)的箱梁正應(yīng)力和主拉應(yīng)力水平有所不同，梁格模型、梁板模型和實(shí)體模型的正應(yīng)力分別為-2.21～0.982、-0.864～3.140、-0.768～4.639MPa，對(duì)應(yīng)的主拉應(yīng)力分別為0.431～1.857、1.157～3.132 和1.705～5.628MPa，其中實(shí)體模型主拉應(yīng)力在橫梁附近區(qū)域受局部應(yīng)力影響。

4　結(jié)論

（1）距端橫梁0～2.5m區(qū)段內(nèi)的施工階段應(yīng)力水平較高，且縱向預(yù)應(yīng)力束錨后局部影響區(qū)域內(nèi)的主拉應(yīng)力明顯大于其他區(qū)域，受力極為不利，需對(duì)預(yù)應(yīng)力施工順序進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)加強(qiáng)該區(qū)域普通鋼筋布置，以減少裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

（2）對(duì)于超寬箱梁橋，其梁端附近的局部區(qū)域如仍采用常規(guī)二維平面模型進(jìn)行計(jì)算，將存在明顯誤差，宜采用空間模型分析，確保箱梁結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的安全。

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U441

A

1671-2668（2016）04-0163-06

2016-04-19錨固處與橋面的間距均為0.2m。在12#墩每個(gè)橫隔梁上各布置9φs15.24鋼絞線4根，編號(hào)為N1～N2；在13#、14#墩每個(gè)橫隔梁上各布置9φs15.24鋼絞線4根，編號(hào)為N1～N4。預(yù)應(yīng)力筋采用強(qiáng)度為1860MPa的低松弛鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1395MPa。砼采用C50強(qiáng)度砼。

2016-03-06