何振東，丁 巍，謝 嵐

(1.中交一公局第八工程有限公司，天津 300170； 2.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙 410114； 3.長沙學(xué)院，湖南 長沙 410022)

0 引言

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的預(yù)應(yīng)力體系復(fù)雜，在施工過程中預(yù)應(yīng)力往往需分批張拉，合理的張拉順序是影響結(jié)構(gòu)性能的重要因素。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工前的預(yù)先分析，能事先制定合理的預(yù)應(yīng)力張拉順序，確保結(jié)構(gòu)處于最優(yōu)受力狀態(tài)。

本文以龍溪嘉陵江特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為研究對象，通過有限元軟件計(jì)算懸澆過程及中跨合龍階段預(yù)應(yīng)力不同張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力的影響，所得結(jié)果可為以后類似工程提供參考。

1 工程概況

龍溪嘉陵江特大橋是重慶三環(huán)高速公路合川—長壽段的控制性工程，全長1 053m，主橋?yàn)?108+200+108)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋(見圖1)，主梁為單箱雙室，箱梁頂寬21.5m、底寬13.5m。主墩處梁高12.5m，跨中梁高4m(見圖2)，梁高按二次拋物線變化。主梁單個(gè)T構(gòu)分為24對節(jié)段，0號塊采用托架法施工，邊跨現(xiàn)澆段采用落地鋼管型鋼支架施工，懸澆段采用掛籃施工。

圖1 龍溪嘉陵江特大橋主橋橋型布置(單位：cm)

圖2 跨中截面(單位：cm)

主梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用符合GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度低松弛7股鋼絞線，公稱直徑15.2mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860MPa。預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)采取引伸量與張拉力雙控，預(yù)應(yīng)力筋錨下控制張拉應(yīng)力為1 395MPa?？v向預(yù)應(yīng)力頂、底板鋼束采用φs15-17，φs15-22和φs15-27 3種規(guī)格，合龍束采用φs15-17，φs15-22 2種規(guī)格。

2 有限元模型建立

為了研究主梁懸臂施工階段及合龍階段不同預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)α后w受力性能的影響，利用MIDAS/Civil有限元軟件建立主橋施工階段模型。采用梁單元模擬，模型共282個(gè)結(jié)點(diǎn)、269個(gè)單元(見圖3)。通過單元、荷載及邊界條件的激活鈍化模擬不同施工階段工況，全橋約分為90個(gè)施工階段，限于篇幅，選取懸臂至1/4跨即15號節(jié)段位置(見圖4)及中跨合龍階段作為主要研究工況進(jìn)行分析(見圖5)。

圖3 全橋計(jì)算模型

圖4 懸臂施工至15號節(jié)段

圖5 預(yù)應(yīng)力筋模擬

3 張拉順序方案

3.1 懸臂施工階段預(yù)應(yīng)力張拉順序方案

在15號節(jié)段張拉的鋼束共有6根，其中頂板束、腹板束各3根，對其進(jìn)行編號，如圖6所示。

圖6 15號節(jié)段張拉鋼束位置

擬采用以下幾種張拉順序方案。

1)方案1 所有鋼束同時(shí)張拉。

2)方案2 先頂板束再腹板束，由外側(cè)向中間對稱張拉：1，3→2→4，6→5。

3)方案3 先腹板束再頂板束，由外側(cè)向中間對稱張拉：4，6→5→1，3→2。

4)方案4 先頂板束再腹板束，由中間向兩側(cè)對稱張拉：2→1，3→5→4，6。

5)方案5 先腹板束再頂板束，由中間向兩側(cè)對稱張拉：5→4，6→2→1，3。

6)方案6 由左向右依次張拉：1，4→2，5→3，6。

所有預(yù)應(yīng)力張拉均為懸臂兩端一次性對稱張拉。

3.2 中跨合龍階段預(yù)應(yīng)力張拉順序方案

中跨合龍鋼束共有48根，其中頂板束4根、底板束40根，備用束4根，對其進(jìn)行編號，如圖7所示。

圖7 中跨合龍鋼束位置(單位：cm)

擬采用以下幾種張拉順序方案。

1)方案1 所有鋼束同時(shí)張拉。

2)方案2 先底板束后頂板束，先長束再短束，由中間向兩側(cè)對稱張拉：MB10′→MB10→MB9′→MB9→…→MB1(中)→MB1(邊)→MT1(中)→MT1(邊)。

3)方案3 先底板束后頂板束，先短束再長束，由中間向兩側(cè)對稱張拉：MB1(中)→MB1(邊) →MB2(中)→MB2(邊)→…→MB10′→MB10→MT1(中)→MT1(邊)。

合龍束單根預(yù)應(yīng)力張拉方法同懸臂工況?？紤]到頂板束僅4根，數(shù)量很少且較短，最后張拉頂部合龍束。通過結(jié)構(gòu)試算，同一排鋼束從兩側(cè)向中間和從中間向兩側(cè)對稱張拉的結(jié)果基本相同，僅以前者結(jié)果進(jìn)行分析。

4 計(jì)算結(jié)果對比分析

4.1 懸澆階段計(jì)算結(jié)果

由于懸澆階段鋼束數(shù)量較少，橋梁結(jié)構(gòu)對稱，為了反映不同張拉順序?qū)χ黧w結(jié)構(gòu)受力的影響，只需對1個(gè)T構(gòu)單側(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。

不同張拉順序中除了方案1為一次張拉到位，方案6張拉3次，其余張拉方案均需張拉4次。限于篇幅，提取懸臂端5個(gè)單元應(yīng)力，之后每隔1個(gè)節(jié)段選取1個(gè)單元直至懸臂根部，計(jì)算結(jié)果如表1和圖8所示。

圖8 第1次張拉主梁應(yīng)力

表1 第1次張拉主梁應(yīng)力 MPa

由計(jì)算結(jié)果可看出，懸澆階段不同預(yù)應(yīng)力張拉方案懸臂前端影響較大，越往懸臂根部影響越小，這是由于之前節(jié)段預(yù)應(yīng)力已張拉，梁已產(chǎn)生較大應(yīng)力，前端的預(yù)應(yīng)力影響相對減弱。另外，對主梁第1次張拉后，方案2，4前端下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大達(dá)0.13MPa，其余方案主梁均處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力更合理。限于篇幅，第2～4次張拉后主梁應(yīng)力狀態(tài)如圖9～11所示。

圖9 第2次張拉主梁應(yīng)力

圖10 第3次張拉主梁應(yīng)力

圖11 第4次張拉主梁應(yīng)力

由于現(xiàn)場施工場地及張拉設(shè)備的限制，很難做到預(yù)應(yīng)力全部同時(shí)張拉到位，其計(jì)算結(jié)果僅用于對比分析。從張拉過程可看出，方案2，4在頂板束張拉完成時(shí)，主梁下緣拉應(yīng)力繼續(xù)增加，最大達(dá)0.23MPa。不同張拉順序仍然呈現(xiàn)出前端影響較大，曲線波動較大，根部單元影響較弱曲線逐漸平直。但當(dāng)所有鋼束全部張拉到位后，應(yīng)力曲線均接近為平直線，不同張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)整體應(yīng)力影響很小，且所有張拉方案主梁均處于受壓狀態(tài)。

預(yù)應(yīng)力全部張拉完成后懸臂端的位移值直接影響下個(gè)節(jié)段立模標(biāo)高的確定，不同張拉順序下，位移變化如圖12所示，其中方案1為一次張拉到位，曲線為平直線。由結(jié)果可看出，隨著張拉鋼束的增加，方案2～5懸臂端部逐漸上升，最終位移數(shù)值與一次張拉到位基本相同，都接近2.5mm，說明不同張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)撓度的影響較小。

圖12 懸臂端位移值

4.2 中跨合龍階段計(jì)算結(jié)果

中跨合龍鋼束數(shù)量涉及的張拉次數(shù)及關(guān)聯(lián)單元均較多，由于結(jié)構(gòu)對稱，僅對合龍口一側(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。每隔1個(gè)節(jié)段選取一中跨合龍鋼束關(guān)聯(lián)節(jié)段進(jìn)行結(jié)果分析，計(jì)算結(jié)果如圖13，14所示。

圖13 方案2主梁張拉過程應(yīng)力

圖14 方案3主梁張拉過程應(yīng)力

由計(jì)算結(jié)果可看出，隨著鋼束張拉次數(shù)的增加，主梁上緣應(yīng)力整體呈現(xiàn)平緩增加趨勢。主梁下緣應(yīng)力受張拉過程影響較大：若先張拉長束，研究單元應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)張拉到該單元位置鋼束時(shí)，應(yīng)力值會突變減小，之后應(yīng)力值隨著鋼束的張拉繼續(xù)緩慢減小并趨于平緩；相反，若先張拉短束，研究單元應(yīng)力先減小，在張拉至該單元位置鋼束時(shí)，應(yīng)力值突變增加，之后應(yīng)力值隨著鋼束的張拉繼續(xù)緩慢增加并趨于平緩。3個(gè)方案主梁最終應(yīng)力如表2所示。

表2 不同張拉方案下主梁最終應(yīng)力 MPa

方案1計(jì)算結(jié)果同樣僅用于對比分析，由計(jì)算結(jié)果可看出，不同張拉方案下主梁最終應(yīng)力值整體相差較小，僅在接近跨中位置若先張拉長束比一次性張拉主梁下緣減小約2.1MPa壓應(yīng)力。且整個(gè)張拉過程中未出現(xiàn)拉應(yīng)力，主梁始終處于受壓狀態(tài)。

中跨合龍后主梁線形結(jié)果將影響后期主橋調(diào)平層施工及主橋施工質(zhì)量驗(yàn)收，不同張拉順序下位移變化如圖15所示。由結(jié)果可看出，主梁采用分批張拉比一次性全部張拉到位的撓度小，并且越往跨中節(jié)點(diǎn)撓度差距越大，其中先張拉短束跨中撓度減小約3mm，這是由于主橋跨中受合龍束影響較大，且跨中截面剛度較小造成。

圖15 不同張拉方案下主梁位移值

5 結(jié)語

本文通過對龍溪嘉陵江特大橋主橋懸澆階段及中跨合龍節(jié)段的預(yù)應(yīng)力在不同張拉順序下的受力計(jì)算分析得到以下結(jié)論。

1)為了減小主梁懸澆階段產(chǎn)生拉應(yīng)力的可能性，連續(xù)剛構(gòu)直橋在懸澆階段應(yīng)先對稱張拉腹板束再對稱張拉頂板束。

2)中跨合龍鋼束數(shù)量較多，張拉持續(xù)時(shí)間較長，分析結(jié)果表明，無論采用先張拉長束還是先張拉短束，主梁始終處于受壓狀態(tài)，且最終應(yīng)力基本相同。但每個(gè)張拉斷面橫向應(yīng)保證對稱張拉，減少局部產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3)通過中跨合龍束張拉順序?qū)χ髁壕€形影響分析，先張拉短束影響相對較明顯，實(shí)際施工時(shí)若合龍口標(biāo)高相對于設(shè)計(jì)值偏低，可優(yōu)先考慮以先張拉短束再張拉長束的方式進(jìn)行調(diào)整。

本工程實(shí)際施工時(shí)，懸臂階段采用先對稱張拉腹板束再對稱張拉頂板束；中跨合龍時(shí)采用先底板束后頂板束、先長束再短束的順序張拉。通過施工過程中的監(jiān)控，懸澆階段主梁前端張拉前后位移量約為2mm，懸臂根部應(yīng)力始終處于受壓狀態(tài)，最小壓應(yīng)力約6.3MPa，安全儲備較大。后續(xù)類似工程可以本工程作為參考進(jìn)行施工。