不同張拉順序?qū)π绷簶蜇Q向位移影響分析

于廣龍 賈艷敏

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

不同張拉順序?qū)π绷簶蜇Q向位移影響分析

于廣龍 賈艷敏

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)斜交箱梁橋?yàn)橐劳校糜邢拊浖﨧idas/civil建立了縱向預(yù)應(yīng)力對(duì)稱張拉、交錯(cuò)張拉和單側(cè)張拉等不同張拉順序模型，分析了各工況下箱梁左右腹板豎向位移的改變情況，得出了在施工階段不同張拉順序?qū)θ珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋豎向位移的影響規(guī)律。

斜梁橋，預(yù)應(yīng)力，張拉順序，豎向位移

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)蓬勃發(fā)展，受線路線形等條件的要求，斜梁橋被廣泛應(yīng)用。其中箱形截面以其抗彎抗扭剛度大、穩(wěn)定性好、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞[1]。在橋梁施工中的預(yù)應(yīng)力張拉順序是影響結(jié)構(gòu)承載性能的重要因素，采用不同的鋼束張拉順序，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)梁體的變形將產(chǎn)生較大的影響[2]，在實(shí)際施工過(guò)程中，支架的設(shè)計(jì)及其梁體預(yù)拱度的設(shè)置，都要充分考慮此部分的影響。結(jié)合某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)斜交箱梁橋的施工程序，利用Midas/civil軟件進(jìn)行仿真模擬,分析比較在不同的張拉順序下預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)斜交箱梁的豎向位移變化規(guī)律,從而確定出預(yù)應(yīng)力鋼筋合理的張拉順序。

1 工程概況

試驗(yàn)橋知行橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土A型連續(xù)斜支撐梁，橋梁跨徑組合為17.5 m+32 m+16 m。橋梁兩端斜度不等，一端斜度為30°、另一端斜度為15°，屬于異形斜梁橋。橋梁橫斷面結(jié)構(gòu)形式為單箱雙室，箱梁頂板寬12 m，底板寬7.5 m，梁高1.45 m。箱梁梁體混凝土采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線，預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)為后張法施工技術(shù)。梁體布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線9束，兩中橫梁處分別布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線8束、負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼筋24束。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路Ⅱ級(jí)。全橋總體布置見(jiàn)圖1，箱梁橫截面及縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置見(jiàn)圖2。

2 有限元分析

2.1 有限元分析基本方法

相比較正橋而言，斜梁橋的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，建立本橋有限元模型采用剪力—柔性梁格法，其基本原理[3]是當(dāng)梁格節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)重合的點(diǎn)承受相同轉(zhuǎn)角和撓度時(shí)，由梁格產(chǎn)生的內(nèi)力局部靜力等效于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。這種方法的實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)的一維桿單元計(jì)算模式轉(zhuǎn)化為二維計(jì)算模型，用一個(gè)二維的空間網(wǎng)格來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的受力特性，通過(guò)對(duì)斜梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，將斜梁橋結(jié)構(gòu)離散，使得離散后的有限單元體整體的受力特性能夠與斜梁橋的實(shí)際受力相吻合。

2.2 有限元模型建立

基于Midas/civil軟件平臺(tái)，建立一端斜度為30°，另一端斜度為15°的預(yù)應(yīng)力混凝土三跨連續(xù)梁有限元空間實(shí)體模型。現(xiàn)澆箱梁及鋪裝層采用C50混凝土，其彈性模量Ec=3.45×104MPa。預(yù)應(yīng)力采用后張法，兩端同時(shí)張拉。對(duì)管道間和預(yù)應(yīng)力鋼筋的參數(shù)標(biāo)定結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果,摩阻系數(shù)取μ=0.25,每米管道偏差系數(shù)取為k=0.001 5。上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室，劃分為橫向梁格單元和縱向梁格單元。按照主梁劃分原則，在每個(gè)箱梁的中軸位置，縱梁梁格單元要設(shè)置一根縱梁，軟件會(huì)根據(jù)輸入的尺寸來(lái)計(jì)算縱向之剛度。橫向梁格單元作為縱向梁格之間的連接，需要按照實(shí)際的原始結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行建模，橫隔梁要依照實(shí)際位置建模，以仿真實(shí)際的橫梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠龋酥獾钠渌恢靡O(shè)置和實(shí)際的頂板剛度相同的虛擬橫向梁格單元，虛擬橫梁沒(méi)有重量，間隔為1.5 m。當(dāng)斜度大于20°時(shí)，需要在結(jié)構(gòu)主導(dǎo)作用方向設(shè)置構(gòu)件，采用正交的網(wǎng)格進(jìn)行分析[4]。本橋斜交15°(0號(hào)臺(tái)斜交30°)，可以采用斜交網(wǎng)格來(lái)分析[5，6]，第一跨布置為斜度從30°～15°過(guò)渡，模型如圖3所示。

2.3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證Midas梁格法建模的精確性，對(duì)本文工程實(shí)例在成橋狀態(tài)恒載作用下模型數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)時(shí)選取a和b截面進(jìn)行測(cè)量截面變形(見(jiàn)圖1)，成橋時(shí)為初始值(滿堂支架為拆)，拆除支架7 d后所測(cè)數(shù)據(jù)為分析終值，計(jì)算對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1,表2。

由表1,表2得，模型數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，最大誤差為7.2%，滿足工程要求，由此可以驗(yàn)證Midas梁格法建立模型是可靠的。

表1 箱梁a—a截面變形數(shù)值表

表2 箱梁b—b截面變形數(shù)值表

2.4 縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉順序?qū)ωQ向位移影響分析

在數(shù)值模型中編排了三種張拉順序，即交錯(cuò)張拉、單側(cè)張拉以及對(duì)稱張拉，其目的是檢測(cè)腹板預(yù)應(yīng)力鋼束作用于連續(xù)斜梁橋的影響。如圖4～圖6所示，圖中①表示第一批同時(shí)張拉的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，②表示第二批同時(shí)張拉的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，③表示第三批同時(shí)張拉的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，圖4a)為從上到下對(duì)稱張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，圖4b)為先張拉靠近中性軸預(yù)應(yīng)力，再?gòu)埨瓋蓚?cè)鋼筋，遵循左右對(duì)稱原則，圖5為交錯(cuò)張拉，圖6為單側(cè)張拉。繪制了各張拉順序下張拉①號(hào)預(yù)應(yīng)力鋼筋束對(duì)豎向位移的影響曲線圖，如圖7所示。

從圖7中可以得出，無(wú)論是對(duì)稱張拉、交錯(cuò)張拉、還是單側(cè)張拉，由于斜交的影響，結(jié)構(gòu)都處于明顯的彎—剪—扭復(fù)合受力狀態(tài)：左、右腹板存在著明顯的豎向位移差，箱梁扭轉(zhuǎn)變形明顯，左右腹板變形后并不是位于同一個(gè)平面上，其彎曲曲率是不同的。斜交箱梁在對(duì)稱張拉順序下，除支點(diǎn)和跨中截面以外，其余截面左右腹板豎向位移各不相同，且左腹板豎向位移曲線與右腹板豎向位移曲線呈反對(duì)稱。圖7a)與圖7b)不同之處在于，圖7b)張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋更靠近中性軸，與自重工況相比圖7a)工況下產(chǎn)生最大豎向位移為0.85 mm、圖7b)工況下產(chǎn)生的最大豎向位移為1.28 mm，說(shuō)明在張拉力相同的情況下，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋越靠近中性軸越能獲得更多的有效預(yù)應(yīng)力。交錯(cuò)張拉產(chǎn)生的最大位移為1.08 mm，跨中產(chǎn)生微小扭轉(zhuǎn)變形。當(dāng)單側(cè)張拉時(shí)，將其與前面的對(duì)稱張拉、交錯(cuò)張拉對(duì)比其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)變形不具有反對(duì)稱性，跨中截面產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，邊跨部分截面位置的撓度比其他三個(gè)工況的還要大，左腹板較自重荷載下的位移曲線產(chǎn)生向上的位移，跨中位移數(shù)值大小為0.69 mm，比前三種工況最大位移都小。

為進(jìn)一步分析不同張拉順序?qū)ψ笥腋拱宓挠绊懀鶕?jù)模型數(shù)據(jù)繪制三種張拉順序下全橋扭轉(zhuǎn)角對(duì)比圖如圖8所示，從圖8中可知：對(duì)稱張拉順序下，沿橋縱向方向扭轉(zhuǎn)角呈反向?qū)ΨQ，在中跨跨中處沒(méi)有扭轉(zhuǎn)變形，在邊跨跨中處產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為最大值；交錯(cuò)張拉順序與對(duì)稱張拉順序下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角相比，在方向上沒(méi)有變化，在數(shù)值上較對(duì)稱張拉順序小，但在中跨跨中位置產(chǎn)生了微小的扭轉(zhuǎn)變形；在單側(cè)張拉順序下，全橋扭轉(zhuǎn)角明顯不呈對(duì)稱分布，中跨的跨中也產(chǎn)生了明顯的扭轉(zhuǎn)變形，三跨連續(xù)梁的一端扭轉(zhuǎn)變形較另一端要大。

在對(duì)稱張拉的兩種張拉順序下，圖9為這兩個(gè)張拉順序下張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋斜梁橋中腹板產(chǎn)生的位移圖，從圖9可知，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束先張拉靠近中性軸的張拉次序較正常的從上至下的張拉順序產(chǎn)生的豎向變形更加均勻和平緩。

3 結(jié)語(yǔ)

1)無(wú)論是對(duì)稱張拉、交錯(cuò)張拉、還是單側(cè)張拉，由于斜交的影響，結(jié)構(gòu)都處于明顯的彎—剪—扭復(fù)合受力狀態(tài)：左、右腹板存在著明顯的豎向位移差，箱梁扭轉(zhuǎn)變形明顯，左腹板豎向位移曲線與右腹板豎向位移曲線呈反對(duì)稱。

2)對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)斜交箱梁橋當(dāng)決定預(yù)應(yīng)力鋼束張拉的順序時(shí)，應(yīng)該使用交錯(cuò)張拉與對(duì)稱張拉相組合或者對(duì)稱張拉的方式，并應(yīng)該避免單側(cè)張拉。

3)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束先張拉靠近中性軸的張拉次序較正常的從上至下的張拉順序產(chǎn)生的豎向變形更加均勻和平緩。

[1] 于廣龍,唐軍斌,李金龍,等.彎扭剛度比與斜度對(duì)斜交橋影響分析[J].低溫建筑技術(shù),2013(1)：56.

[2] 于廣龍.連續(xù)斜交梁橋豎向位移及內(nèi)力的影響因素分析[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)碩士論文，2013.

[3] 竇 巍.梁格法在斜梁橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2010，36(34)：337-338.

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[5] 于會(huì)超.某鐵路橋預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)箱梁計(jì)算和滿堂支架驗(yàn)算分析[D].天津：天津大學(xué)碩士論文，2010.

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Analysisoftensionsequenceonverticaldisplacementofskewgirderbridges

YUGuang-longJIAYan-min

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on a skew box girder continuous bridge, this essay utilizes the Midas/civil finite element software to establish the longitudinal prestressing symmetrical tension, stagger tension and unilateral tension of different tension sequence of tensioning scheme model, analyzed the change of box beam web under the condition of left and right vertical displacement by changing the tension sequence. It is concluded that different tensioning sequence in construction stage in three spans prestressed concrete continuous box girder bridge, the influence law of vertical displacement.

skew girder bridge, prestressed, tension sequence, vertical displacement

1009-6825(2014)33-0167-03

2014-09-17

于廣龍(1989- )，男，碩士，助理工程師； 賈艷敏(1962- )，女，博士，博士生導(dǎo)師，教授

U448.213

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