預應力在施工階段中對曲線連續剛構橋的影響分析

肖 榮，王 超

(重慶市建筑科學研究院，重慶400020)

預應力在施工階段中對曲線連續剛構橋的影響分析

肖 榮，王 超

(重慶市建筑科學研究院，重慶400020)

該文以達陜高速泥溪溝2號大橋——曲線連續剛構橋為工程依托，建立該大橋的三維板單元模型。通過對計算數據的分析，得到預應力鋼束對不同曲線半徑連續剛構橋梁的變形以及受力的影響，并且總結了相應的變化規律，為今后此類橋梁的設計與施工提供參考。

板單元模型；計算數據；預應力鋼束；連續剛構橋

1 預應力布置

該文以達陜高速泥溪溝2號大橋連續剛構橋為背景進行研究。大橋單幅以中跨跨中截面對稱分布，半橋節段劃分及預應力空間分布如圖1所示。

圖1 縱向預應力鋼筋布置圖

2 預應力鋼筋作用原理

采用Midas FEA軟件中自帶的四邊形板單元對混凝土結構進行模擬計算[1]。該文在板單元中插入的是桿式鋼筋，Midas FEA軟件中其作用原理為：在曲板單元的桿式鋼筋有兩節點或三節點鋼筋。桿式鋼筋位置由鋼筋節點決定。通過前處理過程鋼筋被分割成鋼筋段。每個鋼筋都屬于各自的母單元。鋼筋線可定義為空間曲線，由兩個鋼筋線組成的鋼筋。第一個鋼筋線是由兩個點構成的直線鋼筋線，第二個鋼筋線是由三個鋼筋節點組成的高階曲線鋼筋線。每個鋼筋線在穿越板單元網格時會生成交點，即鋼筋段定位點。鋼筋線由這些定位點被分割成鋼筋段。曲線鋼筋線被分割成高級鋼筋段。各定位點在相應板單元的中性面可以有沿單元坐標軸z方向的偏心。偏心信息是鋼筋在板單元中的實際位置的信息。

3 施工階段預應力對橋梁的影響分析

由于懸臂施工階段結構為靜定體系，且懸臂上只受負彎矩，目前設計中通常只配置頂板預應力束和豎向預應力。在施工過程中最大懸臂階段是應力最不利工況，因此計算取懸臂最長工況進行[2]。

3.1 豎向位移分析

圖2 懸臂端截面頂板豎向位移

圖3 懸臂1/2截面頂板豎向位移

從圖2～3可以看出在設計預應力鋼束作用下：

（1）分析沿橋梁縱向各個截面的豎向位移值（以曲線半徑為800m的橋梁作為研究對象），發現懸臂端截面和懸臂1/2截面外側的上翹值分別為22.9cm和6.36cm。表明豎向位移由懸臂根部到懸臂端部逐漸增大。究其原因在于，曲線連續剛構橋中存在初彎矩及彎扭耦合效應。

（2）箱梁的設計預應力鋼束產生了初扭矩，致使箱梁梁體發生了偏向曲線內側扭轉。就曲線半徑是800m的曲線連續剛構橋而言，懸臂端部截面與1/2截面，其截面內側和外側高差分別為0.4cm和0.1cm。

（3）曲率半徑愈小，截面內外弧側差值愈大；當曲線半徑足夠大時與直線橋梁的扭轉效應一致，說明曲線半徑越大，越接近直線橋的計算結果。但是曲線橋和直線橋的差值在0.3cm以內。

（4）對計算數據進行總結：直線懸臂剛構與曲線懸臂剛構均呈現懸臂端部高于懸臂根部的上拱現象。800m曲線半徑橋梁懸臂端截面的上拱值為22.9cm，直線橋端部截面的上拱值為22.74cm。

3.2 扭轉角分析

該文中的扭轉角指的是頂板翼緣板的內外兩側豎向位移的差值與梁寬的比值規定向曲線內側轉為正，向曲線外側轉為負[3]。

圖4 懸臂端部到根部各截面扭轉角分布

圖5 橋梁縱向扭轉角分布圖

從圖4～5中可以看出，在對稱配置頂板預應力束作用下：

（1）自重使箱梁產生了與頂板預應力束產生的扭轉角方向一致的扭轉，二者共同使梁體產生了向曲線內弧側的扭轉。自重在懸臂端部截面產生的扭轉角為0.6°，而預應力產生的扭轉角僅為0.05°，可見自重產生的扭轉角比預應力束產生的扭轉角大得多，相差12倍。

（2）扭轉角縱向上的分布規律是相同的，不會隨曲線半徑的變化而變化。但是值得注意的是隨著曲線半徑的減小，相同位置截面的扭轉角也越大。所計算模型中曲線半徑為800m的剛構橋端部截面的扭轉角最大為0.17°。

（3）當曲線的半徑一定時，懸臂T構扭轉角從根部到端部逐漸增大。曲線半徑為800m的剛構橋兩個截面間的扭轉角變化值約為0.15°，而直線剛構橋不存在扭轉角。

3.3 正應力分析

3.3.1 分析頂板正應力

預應力鋼筋在最大懸臂狀態引起的懸臂端部，懸臂1/2，及懸臂根部截面的正應力分布曲線如圖6～7所示。

圖6 最大懸臂狀態端部截面頂板正應力

圖7 最大懸臂狀態根部頂板正應力分布

從圖可以看出:在對稱布置預應力束作用下：

（1）800m半徑的T構懸臂端部截面的變化區間為-0.34MPa～-1.65MPa，相差1.3MPa。剪力滯現象比較明顯。

（2）在預應力鋼束的作用下，T構頂板產生壓應力最大可達-20MPa，底板大部分承受拉應力最大可達5MPa。值得注意的是，底板上的最大拉應力出現在固結墩和主梁交界處，根據分析是應力重分布的原因，設計時應對該區域進行局部加強。

（3）沿橋跨方向上，頂板的正應力分布規律是由懸臂端部到懸臂根部頂板壓應力越來越大。就直線橋而言，端部截面最大正應力為-1.64MPa，懸臂1/2截面最大應力為-13.65MPa，墩頂截面處最大可達-20.61MPa。

3.3.2 頂板剪力滯效應分析

剪力滯系數的定義:上頂板和下底板的正應力值沿頂底板寬度積分，然后除以上頂板和下底板的寬度，得到一個平均正應力，再運用這個平均值去除各點的實際應力值，即得各點的剪力滯系數[4]。

從圖8～9可見，對稱布置的頂板預應力鋼束是結構產生如下結果：

圖8 端部截面最大懸臂狀態剪力滯

圖9 根部截面最大懸臂狀態剪力滯

（1）當曲線半徑≥800m時，剪力滯系數之大小幾乎不隨曲線半徑的變化而變化。由于彎扭耦合作用的存在使得懸臂根部截面內弧側比外弧側剪力滯系數大。但是內外側剪力滯系數相差僅為0.03。

(2)在頂板橫向上剪力滯系數的分布規律為：腹板附近剪力滯系數小于1；截面中點附近及翼緣板上剪力滯系數大于1。即施工階段預應力束產生的是負剪力滯效應。沿橋梁縱向上，最大剪力滯系數的位置發生了變化：靠近端部截面最大剪力滯出現在兩肋板中間；靠近懸臂根部的截面最大剪力滯系數將出現在翼板上。

(3)懸臂根部截面、懸臂1/2截面、懸臂端部截面的最大剪力滯系數分別為1.03、1.04、1.7。由前述三個數值發現，在橋跨方向上剪力滯系數由懸臂根部到懸臂端部逐漸減小。更深入分析得出從端部到1/2截面數值變化較大，但是從懸臂1/2截面到根部截面變化較小的結論。

4 實際工程應用成果分析

應用研究的成果對某大橋實施了施工過程的監控。在施工過程中綜合分析自重、預應力、收縮徐變、二期恒載及活載對橋梁的作用，在此基礎上對施工過程中橋梁的線形和應力做了科學的預測。其中對預應力在施工階段中對曲線連續剛構橋的深入研究和探討，成為促進大橋成功合攏的決定性因素。首先定性的分析了變形和受力在橋梁縱向和橫向的分布規律，使得施工控制工作有了著重點。再次定量地給出了大橋施工過程中準確的變形值，這對大橋的線形控制及最終合攏起到關鍵性的作用。而且事實證明施工過程中大橋的應力狀態和該文研究結果基本一致，這就為提前預測下一階段施工后的應力水平提供依據，保證施工過程安全有序的進行。

5 結束語

目前多采用桿系單元對曲線梁進行研究，這種單元不能充分體現箱梁橫向上應力的變化規律，對于變截面曲線連續剛構橋的研究還存在不足；預應力對該種橋型的空間受力影響更是缺乏系統的研究；該文從實際出發，詳細探討了在施工階段預應力對該種結構受力和變形的影響，得出了有意義的結論。

[1]王超.曲線連續剛構橋空間受力分析[D].重慶:重慶交通大學，2011:45.

[2]呂昌武.高墩大跨曲線連續剛構空間受力分析與施工控制[D].西安:長安大學，2006:31.

[3]馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4]彭大文.連續彎箱梁橋剪滯效應分析和實用計算法研究[J].中國公路學報，1998，11(3):41-49.

責任編輯:李 紅

The Effect of Prestressing Force on Curved Continuous Frame Bridge in Construction Progress

Based on curved continuous frame bridge,a three-dimensional plate element model of the bridge is set.The authors analyze the effect of prestressing tendon on the transform and internal forces of curved continuous frame bridges with different radius and summarize relevant changing rules. This can provide some reference for the design and construction of such kind of bridge.

plate element model;calculated data;prestressing tendon;curved continuous frame bridge

U446

A

1671-9107（2012）07-0035-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.07.035

2012-05-28

肖榮（1972-），男，四川達州人，本科，助理工程師，主要從事建筑結構檢測與加固的研究。

王超（1985-），男，山東臨沂人，碩士，助理工程師，主要從事建筑結構檢測與加固的研究。