郭東升 （遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋以其行車舒適良好、梁體預制安裝施工方便、跨越能力大等優(yōu)點，在我國中小跨徑混凝土橋梁中得到廣泛應用，且占相當大的比重，它兼具了簡支梁橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)點[1～3]。連續(xù)梁橋墩頂負彎矩區(qū)在施工過程中及成橋以后容易出現(xiàn)過大的拉應力繼而產(chǎn)生裂縫，為了控制該區(qū)域拉應力避免橫向裂縫的產(chǎn)生，會在連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)設計負彎矩鋼束[4]。而這個區(qū)域以支點截面受力最大，測試和分析支點截面的應力狀況能夠反映整個區(qū)域的受力是否安全、負彎矩鋼束設計是否合理、張拉是否完全，進而為類似橋梁的設計、施工提供一個參考。

本文以某高速公路連接線上3×40m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋為依托，根據(jù)橋梁實際情況提出實橋試驗方案并進行跟蹤測試，運用有限元軟件Midas Civil建立試驗橋分析模型，將實測數(shù)據(jù)和有限元模型數(shù)據(jù)進行對比分析，討論張拉負彎矩鋼束過程中的支點截面的應力變化狀態(tài)。

1 基本概況

1.1 橋梁概況

本橋為某高速公路連接線上K45+191處的10×40m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋，試驗段為其最后一聯(lián)（8、9、10三跨）。橋梁跨徑40m，橋?qū)?2.25m，橫截面由5片梁高2.5m主梁組成，主梁采用C50混凝土，試驗段立面圖見圖1。每片主梁配置6束每束5根，15.24mm低松弛鋼筋，張拉控制應力1395MPa，依次張拉9#墩頂和8#墩頂負彎矩束，張拉順序為T3左?T3右?T2左?T2右?T1左?T1右（左、右以小樁號向大樁號方向確定），負彎矩鋼束布置見圖2。

圖1 試驗段立面圖（單位：cm）

圖2 負彎矩鋼束布置圖（單位：cm）

1.2 試驗概況

在試驗段橋梁施工過程中，將振弦式應變計埋設于T梁支點截面，基于橋梁橫截面為5片T梁，選取4號梁為試驗梁。在澆筑墩頂濕接混凝土前，于AA、B-B截面0.21m、1.25m、2.4m高度處預埋混凝土應變計，位置如圖3所示，待墩頂混凝土達到設計強度按順序?qū)ω搹澗劁撌M行張拉，在張拉過程中進行數(shù)據(jù)采集并做好記錄[5][6]，應變計現(xiàn)場布置位置見圖4。

圖3 支點截面應變計測點布置圖（單位cm）

圖4 應變計現(xiàn)場布置

2 模型建立與對比驗證

2.1 有限元模型建立

運用有限元軟件Midas Civil建立試驗段三跨簡支轉(zhuǎn)連續(xù)預應力混凝土T型梁橋模型，以實際形狀布置負彎矩鋼束并按現(xiàn)場的預應力鋼束張拉順序劃分相應施工階段。建模方法采用梁格法，縱向5片主梁采用空間梁單元模擬，通過主梁截面尺寸計算縱向梁格剛度，為模擬縱梁之間的橫向聯(lián)系，橫隔板按照實際位置及尺寸建模，計算其真實的自重和剛度，其他位置按實際主梁翼緣板剛度建立虛擬橫梁，虛擬橫梁不計自重，中橫梁位置進行單元加密以保證其剛度。主梁臨時支座用一般支承模擬，結(jié)構(gòu)除考慮自重外還應有施工荷載、預加力荷載、收縮徐變等[7][8]。張拉階段橋梁有限元模型見圖5。

圖5 張拉階段橋梁有限元模型

2.2 計算值與實測值對比驗證

通過Midas Civil有限元模型的計算，對比A-A、B-B截面1、2、3號應變計位置處有限元計算值和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，9-10及8-9墩頂負彎矩鋼束張拉前后A-A、B-B截面應力對比分別見表1、表2。

張拉前后A-A截面應力對比（單位MPa） 表1

張拉前后B-B截面應力對比（單位MPa） 表2

由表1、表2可以看出有限元模型計算得出的A-A、B-B截面應力值與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)能夠較好的吻合，誤差最大值為9.81%，故認為模型建立方法及過程正確、計算結(jié)果合理可靠，能夠反映結(jié)構(gòu)該部位真實受力情況，可作為分析截面應力的依據(jù)[9]。

分析表1數(shù)據(jù)可知，9#墩頂負彎矩鋼束張拉前A-A截面上緣受壓下緣受拉，截面應力值較小均小于0.2MPa，張拉后截面處于全截面受壓狀態(tài)，且截面上、下緣壓應力有明顯增大，說明張拉負彎矩鋼束會使支點截面應力發(fā)生較大變化。分析表2數(shù)據(jù)得出張拉8#墩頂負彎矩鋼束前，B-B截面同樣是上緣受壓下緣受拉且截面應力值較小，但大于表1中應力值，是因為此時9-10已經(jīng)張拉完成，使B-B截面應力變大，張拉完成后，截面承受壓應力最大值為4.724MPa，應力沿梁高呈線性變化，A-A、B-B截面鋼筋混凝土處于彈性受力階段，結(jié)構(gòu)受力安全。

3 負彎矩張拉階段應力分析

3.1 張拉9#墩頂鋼束過程截面應力分析

由有限元模型計算出張拉每束鋼絞線后 A-A、B-B截面 0.21m、1.25m、2.4m高度處的應力值，用以分析負彎矩鋼束張拉過程中支點截面的應力狀態(tài)，9#墩頂張拉過程中兩截面應力的變化過程見圖6、圖7。

圖6 9#墩頂鋼束張拉過程A-A截面應力值

圖7 9#墩頂鋼束張拉過程B-B截面應力值

由圖6可以看出，初始A-A全截面受拉但拉應力值較小，最大拉應力為0.213MPa。隨著預應力鋼束的張拉，截面上緣出現(xiàn)壓應力并逐漸增大，從圖中可以看出其變化趨勢越來越緩，說明從張拉T3鋼束到張拉T1對A-A截面應力的影響依次減小。A-A截面1.25m高度處應力同樣向壓應力方向發(fā)展，基本呈直線變化。截面下緣應力在0MPa左右變化，張拉T3拉應力增大，張拉T2、T1向壓應力反向變化，張拉鋼束對截面應力的影響可分為兩部分，一部分是預應力產(chǎn)生的壓應力，表現(xiàn)為圖中1.25m處變化趨勢，另一部分是由于預應力偏心引起彎矩進而使上緣產(chǎn)生壓應力、下緣產(chǎn)生拉應力，表現(xiàn)為圖中上下緣應力的發(fā)展趨勢，而T3鋼束張拉時第二部分起主導作用，于是截面下緣向拉應力增大，T2、T1張拉時，第一部分影響較大，所以截面下緣應力向壓應力方向發(fā)展。

由圖7可知，B-B截面在初始狀態(tài)同樣全截面受拉，在張拉9#墩頂負彎矩鋼束過程中，截面上緣壓應力不斷增大，但壓應力總體較小，最大值達到0.504MPa。截面下緣拉應力會逐漸變大，在鋼束張拉完成后會出現(xiàn)0.973MPa的拉應力，圖中可以看出，上、下緣應力變化趨勢逐漸變陡，說明T1鋼束張拉對B-B截面應力的影響更加明顯，這是因為T1鋼束的錨固點更接近B-B截面。

對比圖6、圖7可以看出，張拉9#墩頂負彎矩鋼束對A-A截面上緣壓應力及B-B截面下緣拉應力影響較大，張拉完成后，A-A截面壓應力明顯大于B-B截面，但最大值為4.849MPa，A-A截面受力安全，此時B-B截面下緣會出現(xiàn)較大的拉應力，所以應該關(guān)注8#墩支點處，防止出現(xiàn)裂縫。

3.2 張拉8#墩頂鋼束過程截面應力分析

在9#墩頂負彎矩鋼束張拉完成后，按照順序?qū)?#墩頂進行張拉，其過程中A-A、B-B兩截面1、2、3號應變計對應位置處的應力變化見圖8、圖9。

圖8 8#墩頂鋼束張拉過程A-A截面應力值

圖9 8#墩頂鋼束張拉過程B-B截面應力值

由圖8可以看出，由于通過A-A截面的預應力鋼束已經(jīng)在前一階段全部張拉完成，所以張拉8#墩頂負彎矩鋼束前，A-A截面內(nèi)存在較大的壓應力，在張拉過程中，仍然是截面上緣壓應力增大，下緣向拉應力方向發(fā)展，但總體變化幅度較小。由圖9可知，在此過程中BB截面的壓應力有明顯增大，由張拉前的0.504MPa增加到最終的5.546MPa，B-B截面下緣拉應力在張拉T3時增大，而張拉T2、T1時減小。

對比圖8、圖9可得，張拉8#墩頂負彎矩鋼束對A-A截面應力影響較小，而對B-B截面影響偏大。張拉完成后，AA、B-B截面應力分布狀況接近，均為上緣承受5.5MPa左右壓應力，下緣承受0.43MPa左右拉應力，應力大小合理，結(jié)構(gòu)安全，且應力沿梁高線性變化，處于彈性受力階段。

綜上所述，張拉墩頂負彎矩鋼束對鋼束通過的支點截面應力有明顯影響，同時對相鄰支點截面有影響，且未張拉鋼束的受其影響較大，已張拉鋼束受到的影響較小。負彎矩鋼束的作用體現(xiàn)在合理設計的負彎矩鋼束能夠很好地限制支點截面拉應力的產(chǎn)生，進而避免橋面裂縫的出現(xiàn)及張拉完成后的壓應力儲備為后期承受二期恒載和活載等提供保障，發(fā)揮后連續(xù)的作用[10～11]。

4 結(jié)論

①橋梁在張拉9#、8#墩頂負彎矩鋼束過程中，兩支點截面上緣應力向壓應力方向發(fā)展，下緣應力向拉應力發(fā)展；張拉完成后，支點截面內(nèi)存儲5.5MPa左右的壓應力，為承受后期荷載提供應力儲備。

②張拉過程中，T3鋼束對負彎矩鋼束通過的支點截面應力影響較大，T1鋼束對相鄰支點截面應力影響較大。

③A-A截面上緣在整個張拉過程中拉應力較小，B-B截面上緣最大拉應力在出現(xiàn)在8#墩頂?shù)腡3鋼束張拉完成時，為0.973MPa，未超過C50混凝土抗拉設計強度，結(jié)構(gòu)安全。