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        剛構(gòu)橋懸臂梁臨時(shí)張拉體外束降低后期徐變下?lián)涎芯?/h1>
        2021-08-06 00:29:26李一瑋
        施工技術(shù)(中英文) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:成橋徐變剛構(gòu)橋

        李一瑋

        (鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站,河南 鄭州 450052)

        0 引言

        大跨預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)剛構(gòu)橋具有跨越能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性好、行車(chē)平順等特點(diǎn),已成為世界上100~300m跨徑的主力橋型,我國(guó)20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始修建連續(xù)剛構(gòu)橋,至今方興未艾。趙磊以1座3跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?,利用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁分析模型,確定橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的各參數(shù),根據(jù)不同受力工況分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。顏東煌等以貴州筍子巖大橋?yàn)楣こ瘫尘?,分析大跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系闹饕蛩?。侯鐵鋼以某施工大橋作為研究對(duì)象,建立施工大橋的仿真模型,探討預(yù)應(yīng)力損失在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的影響,通過(guò)實(shí)際受力試驗(yàn)和裂縫分布進(jìn)行驗(yàn)證。大跨PC剛構(gòu)橋在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,存在箱梁混凝土開(kāi)裂問(wèn)題,箱梁中超出設(shè)計(jì)許可的裂縫寬度和數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全性和耐久性構(gòu)成很大威脅,造成重大安全隱患,大跨PC剛構(gòu)橋開(kāi)裂已成難題。本文以某大橋?yàn)橐劳泄こ?,分析臨時(shí)張拉體外束方案的優(yōu)點(diǎn),對(duì)比驗(yàn)證幾種臨時(shí)體外束方案的實(shí)施效果,建立仿真模型模擬分析各方案對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程承載應(yīng)力、撓度及預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的影響,研究結(jié)果可為實(shí)際施工提供參考。

        1 工程背景

        1.1 工程概況

        以某大橋?yàn)橐劳泄こ蹋鐝讲贾脼?120+230+120)m PC剛構(gòu)橋。單箱單室箱形截面,箱梁梁高及底板厚度均按1.8次拋物線(xiàn)變化。箱梁跨中梁高4.4m,根部梁高13.8m,頂板寬12m、厚0.3~0.6m,底板寬6.5m、厚0.32~1.3m。腹板厚1.0,0.95,0.8,0.65,0.5m,如圖1所示。該特大橋在縱、橫、豎3個(gè)方向施加預(yù)應(yīng)力。

        圖1 箱梁截面(單位:cm)

        1.2 臨時(shí)張拉體外束方案

        采用4種臨時(shí)體外束方案,在2,7,14號(hào)塊上安放臨時(shí)體外束,如表1所示。除方案a外,其他方案均對(duì)底板進(jìn)行臨時(shí)張拉束,底板束與底板間距約60cm。以上各臨時(shí)體外束對(duì)稱(chēng),前后兩端張拉,張拉應(yīng)力要求在1 400MPa。

        表1 各方案參數(shù)

        2 數(shù)值分析

        2.1 數(shù)值模型

        使用有限元軟件MIDAS/Civil建立該大橋的有限元模型,如圖2所示,對(duì)成橋后結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行仿真模擬。

        圖2 橋梁有限元模型

        如圖2所示,綜合考慮橋梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋、橋梁主梁、柔性橋墩等結(jié)構(gòu),使用有限元軟件構(gòu)建模型時(shí),通過(guò)有限元軟件MIDAS/Civil的單元類(lèi)型仿真模擬橋梁各結(jié)構(gòu),根據(jù)施工情況對(duì)橋墩底部和邊跨固定自由度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和橋梁施工實(shí)際情況,確定橋梁仿真模型的相關(guān)基本參數(shù),如預(yù)應(yīng)力束與管道壁的摩擦系數(shù)、預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度值等。混凝土的徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變隨時(shí)間(單位為d)變化趨勢(shì)曲線(xiàn)如圖3所示。

        圖3 混凝土徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)

        2.2 成橋后應(yīng)力分析

        在橋梁跨中位置,在拆除臨時(shí)支護(hù)約束后一般會(huì)出現(xiàn)彈性回彈現(xiàn)象。拆除臨時(shí)體外束前后跨中截面和支點(diǎn)截面的應(yīng)力變化如圖4,5所示。

        圖4 拆除臨時(shí)體外束對(duì)跨中截面應(yīng)力的影響

        圖5 拆除臨時(shí)體外束對(duì)支點(diǎn)截面應(yīng)力的影響

        分析3個(gè)方案在橋梁跨中位置拆除前后上、下緣應(yīng)力大小,方案1~3實(shí)施后有效降低跨中截面上緣壓應(yīng)力、增大跨中位置下緣壓應(yīng)力,方案a實(shí)施后對(duì)跨中截面的上、下緣壓應(yīng)力與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比產(chǎn)生效果較小;可看出對(duì)底板進(jìn)行臨時(shí)張拉束的布置越大,實(shí)施前后上、下緣壓應(yīng)力變化越大,其中方案3實(shí)施后上、下緣的壓應(yīng)力變化最大,產(chǎn)生效果最佳。

        由圖4可知,拆除臨時(shí)體外束會(huì)導(dǎo)致跨中上緣壓應(yīng)力減小,而跨中下緣壓應(yīng)力增大。如圖6,7所示,對(duì)比成橋后跨中截面及支點(diǎn)截面的應(yīng)力變化,拆除臨時(shí)體外束后,各方案下緣應(yīng)力均有不同程度降低,各支點(diǎn)截面的下緣應(yīng)力基本相同,均在8MPa范圍內(nèi)。上緣應(yīng)力除方案a外,均有不同程度增大,其中方案3應(yīng)力增加最大。

        圖6 成橋后跨中截面應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

        由圖6a可知,方案1~3對(duì)橋梁的跨中位置產(chǎn)生的上緣壓應(yīng)力有減小效果,其中方案2產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于方案3,方案1產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于方案2,方案a實(shí)施效果與原設(shè)計(jì)方案效果基本無(wú)變化,作用不明顯。

        由圖6b可知,方案1~3對(duì)橋梁的跨中位置產(chǎn)生的上緣壓應(yīng)力有增強(qiáng)效果,其中方案2產(chǎn)生的壓應(yīng)力小于方案3,方案1產(chǎn)生的壓應(yīng)力小于方案2,方案a實(shí)施效果與原設(shè)計(jì)方案效果基本無(wú)變化。分析方案3和原設(shè)計(jì)方案在下緣位置成橋后各時(shí)間點(diǎn)的壓應(yīng)力數(shù)據(jù),方案3實(shí)施后跨中截面下緣壓應(yīng)力數(shù)值較原方案應(yīng)力值要大,表明方案3很好地提高了跨中截面抗裂性能。

        由圖7可知,方案1~3和方案a支點(diǎn)截面上緣和下緣壓應(yīng)力基本與原設(shè)計(jì)相同,上緣壓應(yīng)力略減小而下緣略增大。分析各方案在成橋后支點(diǎn)截面應(yīng)力的時(shí)程曲線(xiàn),成橋后支點(diǎn)截面下緣應(yīng)力在0~20年,方案3都較原方案應(yīng)力值大約0.3MPa,表明各方案與原方案的作用效果相比不顯著。

        圖7 成橋后支點(diǎn)截面應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

        3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與有限元結(jié)果對(duì)比分析

        3.1 臨時(shí)體外束最終方案

        根據(jù)上述模擬結(jié)果,并結(jié)合該依托工程實(shí)際情況,確定橋梁施工最終的臨時(shí)體外束方案,在2號(hào)梁段安放4根和7號(hào)梁段及14號(hào)梁段安放6根27φ15.24預(yù)應(yīng)力束,如表2所示,布置位置同方案1~3,增加底板的壓應(yīng)力。

        表2 最終方案參數(shù)

        3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果對(duì)比

        考慮實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)各方面影響因素,測(cè)量數(shù)據(jù)充分控制精度,因此選取長(zhǎng)期性、線(xiàn)形平穩(wěn)性較強(qiáng),對(duì)施工過(guò)程中需采集應(yīng)變的重要保證截面(支點(diǎn)、L/4),通過(guò)在連續(xù)梁截面處布置觀(guān)測(cè)釘和應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)施工應(yīng)力數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)業(yè)的測(cè)量應(yīng)力的儀器采集。采集不同箱梁施工截面結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)與追蹤橋梁曲線(xiàn)變化情況,并分析梁懸臂端的合攏精度及橋面線(xiàn)形變化。

        對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及有限元模型計(jì)算結(jié)果,如表3所示,施工階段,施工1~26號(hào)計(jì)算結(jié)果多,由于篇幅所限在此不闡述15~26號(hào)塊計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析,如圖8,9所示。

        表3 原設(shè)計(jì)在恒載作用下關(guān)鍵梁段施工應(yīng)力(拉正、壓負(fù)) MPa

        圖8 支點(diǎn)斷面應(yīng)力對(duì)比

        圖9 L/4 斷面應(yīng)力對(duì)比

        由圖8,9可知,在每個(gè)施工階段的支點(diǎn)和L/4截面的測(cè)量值基本上與計(jì)算值相差不大。截面上部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的22號(hào)分段位置處。

        下部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的9號(hào)分段位置處。L/4截面上的壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差距在施工梁體的26號(hào)分段位置處,下部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的25號(hào)分段位置處,最大差值均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和施工要求。

        此外,整理監(jiān)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力曲線(xiàn)符合理論應(yīng)力曲線(xiàn)的走勢(shì)和變化,說(shuō)明所建立的計(jì)算模型與施工情況基本一致。

        4 結(jié)語(yǔ)

        以某大橋?yàn)橐劳泄こ?,通過(guò)對(duì)大橋施工分析臨時(shí)體外束方案的可行性,對(duì)比研究4種臨時(shí)體外束方案的實(shí)施效果,通過(guò)理論分析各方案對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程后承載應(yīng)力、撓度產(chǎn)生的影響。并根據(jù)有限元仿真分析及施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定了最終方案,其中監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中應(yīng)力與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的可靠性強(qiáng)。最終得出以下結(jié)論。

        1)大跨PC梁橋在施工階段各梁段截面上緣所受應(yīng)力較大,頂板徐變產(chǎn)生的撓度比底板的大,成橋后各梁段截面下緣應(yīng)力隨時(shí)間變化一直加大,底板徐變產(chǎn)生撓度比頂板的大,橋梁特別是跨中位置下?lián)蠂?yán)重,因此,采用臨時(shí)體外束增加在施工階段橋梁預(yù)應(yīng)力,特別是各梁體截面底板位置的壓應(yīng)力,來(lái)調(diào)整徐變變化從而減緩橋梁的結(jié)構(gòu)下?lián)稀?/p>

        2)通過(guò)方案1~3在底板張拉臨時(shí)張拉束,增大成橋前梁體截面的下緣壓應(yīng)力,底板徐變?cè)诔蓸蚯盎就瓿?,使得橋梁?fù)彎矩區(qū)的轉(zhuǎn)角及跨中撓度減小,成橋后結(jié)構(gòu)由徐變引起的下?lián)蠝p小,方案3成橋后20年的時(shí)間點(diǎn)跨中下?lián)献冃瘟枯^原方案得到明顯改善,采用方案a均增大頂、底板位置的壓應(yīng)力時(shí),拆除臨時(shí)體外束后跨中截面撓度變形量較方案1實(shí)施后下?lián)霞哟?,可知若加大施工階段頂板處壓應(yīng)力,拆除臨時(shí)體外束后作用適得其反。

        3)通過(guò)以上分析與結(jié)論可知,在拆除臨時(shí)體外束時(shí),梁體彈性回彈使主跨跨中底板壓應(yīng)力增加,有效提高了跨中截面抗裂性能和剛性。

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