王 濤

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011)

隨著國家交通運輸水平的不斷提升,公路橋梁面臨著結(jié)構(gòu)安全性高、施工污染小、工期時間短、橋面平整性好等更高質(zhì)量的要求。傳統(tǒng)的簡支梁橋有著結(jié)構(gòu)形式簡單、施工便捷的特點,但節(jié)段間的伸縮縫會影響橋面的整體平整性,進而導(dǎo)致行車舒適性的下降[1,2]。在簡支梁橋中采用連續(xù)橋面可以提升平整性,但無法避免負彎矩區(qū)混凝土受拉開裂問題[3]。近年來,隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展,簡支變連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式在橋梁領(lǐng)域中得到了越來越多的應(yīng)用。簡支變連續(xù)梁橋的主梁在工廠內(nèi)預(yù)制,然后在現(xiàn)場進行架梁、濕接縫澆筑、負彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉和臨時支座拆除等工藝,最終完成橋梁結(jié)構(gòu)體系由簡支形式朝連續(xù)梁形式的轉(zhuǎn)變[4,5]。簡支變連續(xù)梁橋兼顧了簡支梁橋施工簡單和現(xiàn)澆梁橋整體性能好的優(yōu)點,工廠預(yù)制主梁減少了現(xiàn)場施工工作量并大大縮減工期,負彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力張拉可以有效抑制頂面混凝土的受拉開裂。

研究依托G237(S203淮六路)五里郢至青龍山段改建工程,三岔河橋為既有橋梁拆除后改建,采用的是簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)體系。簡支變連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中,負彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉會引起橋梁結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換,引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布,不同的預(yù)應(yīng)力張拉施工順序,會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的變形和內(nèi)力[6,7]。已有簡支變連續(xù)梁橋的預(yù)應(yīng)力張拉施工順序研究,大多針對橋梁縱向的預(yù)應(yīng)力張拉順序研究[8,9]。三岔河橋共有三跨,每跨橫向共9片小箱梁,預(yù)應(yīng)力張拉的橫向施工順序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力影響較大。因此,利用有限元軟件對三岔河橋梁結(jié)構(gòu)進行有限元精確建模,對每跨9片箱梁及濕接縫定義不同施工階段、預(yù)應(yīng)力分組,研究不同的預(yù)應(yīng)力張拉的橫向施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形、受力性能的影響,找到對工程有指導(dǎo)意義的施工順序。

1 數(shù)值模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

三岔河橋為既有橋梁拆除后改建,橋梁中心樁號為K3+004,交叉角度為60°。所建橋梁上部結(jié)構(gòu)采用先簡支后連續(xù)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩,樁基礎(chǔ)。橋梁橫向截面圖,橋面為雙面橫坡,橋梁每跨橫向共9片小箱梁,梁高1.8 m,共計27片。箱梁內(nèi)的縱向預(yù)應(yīng)力筋有頂板束、腹板束和底板束三類,采用的配筋形式有5φs15.2 mm、4φs15.2 mm和3φs15.2 mm三種截面尺寸規(guī)格,其中頂板束共7個孔道,腹板束和底板束共10個孔道。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺,全橋樁基礎(chǔ)均為1.6 m,共計20根,橋墩直徑1.5 m。采用矩形混凝土蓋梁,蓋梁高度1.5 m,寬度1.8 m。

數(shù)值建模相關(guān)參數(shù):(1)混凝土:預(yù)制箱梁、橫隔梁和濕接縫的混凝土型號均為C50;(2)普通鋼筋:HPB300鋼筋的直徑有8 mm和10 mm兩種截面尺寸規(guī)格,HRB400鋼筋的直徑有12、16、20、22、25、28 mm六種截面尺寸規(guī)格;(3)預(yù)應(yīng)力筋:低松弛高強度鋼絞線,抗拉強度標準值為fpk=1 860 MPa,公稱直徑為d=15.2 mm。

1.2 空間梁單元

di=[μi,vi,wi,θxi,θyi,θzi]T

(1)

Fi=[Ni,Qyi,Qzi,Mxi,Myi,Mzi]T

(2)

式中:下標i和j為梁單元的左右節(jié)點號;上標T為對向量采取轉(zhuǎn)置操作;μi,vi,wi分別為空間坐標系x、y和z方向的平動位移;θxi,θyi,θzi分別為空間坐標系x、y和z軸的轉(zhuǎn)角位移;Ni對應(yīng)坐標系x方向的軸向力;Qyi,Qzi分別為空間坐標系y和z方向的切向力;Mxi,Myi,Mzi分別為空間坐標系x、y和z軸的彎矩。采用三次項的位移產(chǎn)值函數(shù)構(gòu)造節(jié)點位移向量,長高比較大故忽略剪切變形,對梁單元剛度矩陣進行整合、坐標轉(zhuǎn)化操作,即可得到整體空間梁剛度矩陣用于簡支變連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的有限元分析。

1.3 有限元模型

利用有限元軟件進行連續(xù)梁橋模型建模以及簡支變連續(xù)施工階段的定義,這里主要進行橋梁上部結(jié)構(gòu)實體梁模型建立,將橋墩、蓋梁當成箱梁下部的一般支承,一般支承上設(shè)置彈性連接以模擬支座,將支座與箱梁上節(jié)點剛性連接以對上部結(jié)構(gòu)施加約束。圖1是橋梁結(jié)構(gòu)模型圖,由圖1可知該連續(xù)梁橋共有三跨,每跨橫向架設(shè)9片箱梁。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用空間梁單元建模,整個模型包含箱梁、預(yù)應(yīng)力鋼束、一般支承、彈性連接和剛性連接,共1 540個節(jié)點,1 502個單元。依據(jù)實際施工過程主要定義4個施工階段:(1)現(xiàn)場架梁,對應(yīng)箱梁的廠內(nèi)預(yù)制、正彎矩預(yù)應(yīng)力張拉、現(xiàn)場架設(shè)階段;(2)濕接縫澆筑,對應(yīng)現(xiàn)場不同跨箱梁之間的濕接縫澆筑、橫隔梁澆筑階段;(3)預(yù)應(yīng)力張拉,對應(yīng)現(xiàn)場箱梁頂板處負彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力張拉;(4)支座轉(zhuǎn)換,對應(yīng)現(xiàn)場的臨時支座拆除,永久支座投入使用。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)模型圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 不同施工階段橋梁內(nèi)力分析

濕接縫澆筑與負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉是簡支變連續(xù)梁橋施工的關(guān)鍵步驟,不同施工方式、施工順序?qū)?yīng)著結(jié)構(gòu)不同的內(nèi)力、變形情形。為保證在簡支變連續(xù)體系轉(zhuǎn)換過程中橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、撓度變化均勻,避免結(jié)構(gòu)濕接縫連接處等關(guān)鍵位置發(fā)生開裂,需要制定合理的濕接縫澆筑與負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉順序。現(xiàn)場簡支變連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)的濕接縫澆筑,通常采用箱梁橫向連接、端部連接一次性澆筑的方式;負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉,通常是等濕接縫混凝土強度達到一定強度后,分批次張拉。所有負彎矩預(yù)應(yīng)力一次性張拉完成,是最理想的預(yù)應(yīng)力張拉工況。理想預(yù)應(yīng)力張拉工況可以在仿真軟件中進行模擬,作為后續(xù)不同預(yù)應(yīng)力張拉工況的比對模板。在數(shù)值分析過程中定義現(xiàn)場架梁、濕接縫澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、支座轉(zhuǎn)換共四個施工階段,圖2給出了四個施工階段的橋梁彎矩分布圖。

圖2 不同施工階段橋梁結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位:kN·m)

對不同施工階段橋梁內(nèi)力分布結(jié)果進行分析,探討簡支變連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換不同階段的內(nèi)力分析情形?，F(xiàn)場架梁階段,各個混凝土小箱梁均在工廠內(nèi)預(yù)制,正彎矩預(yù)應(yīng)力張拉在混凝土強度達到90%時進行,預(yù)緊力會引起箱梁上拱產(chǎn)生負彎矩;小箱梁架設(shè)在現(xiàn)場臨時支座的上面,結(jié)構(gòu)形式為簡支梁,內(nèi)力依舊呈現(xiàn)總體負彎矩的情形,且由于約束情形不同,邊跨內(nèi)力要比中間跨內(nèi)力大。濕接縫澆筑階段,進行箱梁縱向、橫向濕接縫、橫隔梁連接,橋梁上部結(jié)構(gòu)逐漸形成整體;此時結(jié)構(gòu)依舊位于臨時支座上面,結(jié)構(gòu)形式為簡支形式。預(yù)應(yīng)力張拉階段,進行不同跨小箱梁端部的負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉,在支座位置處產(chǎn)生較大正彎矩,箱梁頂部混凝土承受壓應(yīng)力。支座轉(zhuǎn)換階段,進行臨時支座的拆除,激活永久支座,橋梁結(jié)構(gòu)完成了由簡支梁體系到連續(xù)梁體系的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換;每跨主梁均在中間位置產(chǎn)生負彎矩,兩端位置產(chǎn)生正彎矩,以抵抗后續(xù)橋面二期荷載以及運營車輛荷載。

2.2 不同預(yù)應(yīng)力張拉工況

考慮到現(xiàn)場簡支變連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)箱梁濕接縫通常采用一次性澆筑的方式,負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉待混凝土強度達到一定強度后采用分批次張拉的方式。三岔河三跨梁橋每跨9片小箱梁,橫向長度較長,由于上部結(jié)構(gòu)橫向已經(jīng)連接成整體,不同負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉次序必然會對橫橋向的其他箱梁的應(yīng)力、變形造成一定影響。采用合理的預(yù)應(yīng)力張拉順序,能夠有效減小施工成本、縮短施工工期、提高結(jié)構(gòu)強度。有必要進行負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉順序研究分析,探討不同張拉工況下橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的內(nèi)力、變形情況。研究的簡支變連續(xù)梁橋共有三跨,在中間兩個橋墩處有兩個縱向端部濕接縫,每個濕接縫對應(yīng)9片小箱梁。這里主要研究預(yù)應(yīng)力張拉橫橋向施工順序,所以取一個中間橋墩上的9片小箱梁端部預(yù)應(yīng)力張拉進行研究,另一個中間橋墩上的端部預(yù)應(yīng)力張拉與該橋墩張拉順序一致。對橫橋向的小箱梁頂板端部預(yù)應(yīng)力鋼束編號,該編號也對應(yīng)不同的支座位置,以方便定義不同的預(yù)應(yīng)力張拉施工工況。共定義三個預(yù)應(yīng)力張拉橫橋向施工工況:順序張拉、間隔張拉和對稱張拉,每個工況均按步驟順序施工。

(1)順序張拉:步驟一,張拉1#、2#、3#端部負彎矩預(yù)應(yīng)力;步驟二,張拉4#、5#、6#端部負彎矩應(yīng)力;步驟三,張拉7#、8#、9#端部負彎矩預(yù)應(yīng)力。

(2)間隔張拉:步驟一,張拉1#、2#、5#、8#、9#端部負彎矩預(yù)應(yīng)力;步驟二,張拉3#、4#、6#、7#端部負彎矩預(yù)應(yīng)力。

(3)對稱張拉:步驟一,張拉1#、2#、8#、9#端部負彎矩預(yù)應(yīng)力;步驟二,張拉3#、4#、6#、7#端部負彎矩預(yù)應(yīng)力;步驟三,張拉5#端部負彎矩預(yù)應(yīng)力。

不同預(yù)應(yīng)力張拉橫橋向施工工況會引起不同的端部梁頂板、底板應(yīng)力,表1～表3給出了不同工況、不同步驟情形下,不同端部位置處梁頂板、底板的應(yīng)力數(shù)值。由表中數(shù)值可知,當濕接縫混凝土選擇一次性澆筑時,不同預(yù)應(yīng)力張拉順序工況下,各片梁端部頂板、底板處最終的主應(yīng)力數(shù)值區(qū)別較小,均能夠保證較好的應(yīng)力儲備以抵抗后續(xù)二期荷載和運營車輛荷載作用。觀察各個工況情形下,不同步驟中不同位置的頂板、底板應(yīng)力數(shù)值,可以發(fā)現(xiàn)在某片梁端部進行負彎矩預(yù)應(yīng)力張拉是會影響周邊梁的內(nèi)力分布。此外,從各片梁端部內(nèi)力數(shù)值的連續(xù)性角度出發(fā),即保證相鄰箱梁端部內(nèi)力數(shù)值較為接近,工況三的表現(xiàn)最好。所以,在濕接縫混凝土選擇一次性澆筑的情況下,推薦采用對稱張拉的橫橋向施工順序,可以保證較好的橫向梁端內(nèi)力連續(xù)性。

表1 工況一情形下支座端部處主梁應(yīng)力數(shù)值

表2 工況二情形下支座端部處主梁應(yīng)力數(shù)值

表3 工況三情形下支座端部處主梁應(yīng)力數(shù)值

3 結(jié) 論

為研究簡支變連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力橫向張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時內(nèi)力、變形的影響,依托工程實際進行一個三跨(每跨9片小箱梁)簡支變連續(xù)梁橋的有限元建模,依據(jù)不同的預(yù)應(yīng)力張拉工況定義不同施工階段,對不同工況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形計算結(jié)果進行分析,具體得到以下結(jié)論。

(1)簡支變連續(xù)梁橋經(jīng)過濕接縫連接、負彎矩張拉和支座轉(zhuǎn)換步驟,完成結(jié)構(gòu)體系由簡支梁到連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換,在跨中產(chǎn)生負彎矩并在端部產(chǎn)生正彎矩以抵抗后續(xù)運營荷載作用。

(2)從最終成橋時的支座處主梁內(nèi)力數(shù)值角度來看,不同預(yù)應(yīng)力橫向張拉施工順序?qū)?nèi)力大小影響不大,均能為簡支變連續(xù)梁橋提供較好的應(yīng)力儲備。

(3)為保證每跨各片箱梁端部內(nèi)力的橫向連續(xù)性,在濕接縫混凝土選擇一次性澆筑的情況下,推薦采用對稱張拉的橫橋向施工順序。