預(yù)應(yīng)力損失對多跨連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能的影響分析

萬銅嶺

（河南省交通運(yùn)輸廳高速公路濮陽至鶴壁管理處，河南 濮陽457000）

0 引言

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，隨之而來的橋梁工程問題日益暴露出來，例如跨中撓度過大、主梁出現(xiàn)斜裂縫等[1]。各國學(xué)者、專家分析認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力損失過大是造成這些問題的重要因素[2]。目前，對于預(yù)應(yīng)力損失方面的研究雖然受到了廣大專家學(xué)者的重視，也得出了不少成果[3-7]，如李準(zhǔn)華、劉釗《大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋預(yù)應(yīng)力損失及敏感性分析》一文對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了研究，并得出結(jié)果：若預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算偏小，會導(dǎo)致橋梁內(nèi)力和撓度計(jì)算的較大失真[8]；姚強(qiáng)，柯亮亮在《連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁應(yīng)力和跨中撓度與預(yù)應(yīng)力損失的關(guān)系研究》一文中對比分析了不同預(yù)應(yīng)力損失情況對連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁應(yīng)力及跨中撓度的影響[9]。

大量文獻(xiàn)資料表明，預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法雖然有跡可循，但大多研究針對三跨大跨徑橋梁，對于更多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的研究資料相對較少，而且資料顯示，很多研究僅僅針對當(dāng)前情況下的成橋狀態(tài)進(jìn)行分析，涉及極端預(yù)應(yīng)力損失情況以及多年后成橋狀態(tài)的研究較少。為了更加客觀、全面地描述預(yù)應(yīng)力損失對多跨（五跨）預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能的影響，本文針對多跨（五跨）預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行研究，為了進(jìn)一步完善研究成果，將對實(shí)際成橋20年后的橋梁狀態(tài)進(jìn)行分析與預(yù)測。

1 工程概況

依托橋梁位于華北地區(qū)某高速公路上，全長577m，跨徑組合為5×30m+（45+3×80+45）m+3×30m。主橋?yàn)椋?5+3×80+45）m 的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，引橋?yàn)?0m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。下部結(jié)構(gòu)主橋橋墩采用雙肢實(shí)心墩，引橋采用樁柱式墩、空心薄壁墩，橋臺采用柱式橋臺，墩臺基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。橋梁平面位于R=1200m的圓曲線上，縱斷面位于R=24000m 的豎曲線上，縱坡分別為-2.993%、-1.9134%。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本文采用Midas/Civil軟件對該依托工程橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，得出橋梁在不同情況下的跨中撓度以及結(jié)構(gòu)彎矩情況，分析對比以上各預(yù)應(yīng)力損失下的成橋狀態(tài)，研究了有效預(yù)應(yīng)力不足對橋梁結(jié)構(gòu)使用性和耐久性的影響。

文中涉及到的幾種狀態(tài)具體為：

（1）理想狀態(tài)：按照規(guī)范中的公式對預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行估算，得到鋼束預(yù)應(yīng)力損失的理論計(jì)算值，此時的成橋狀態(tài)稱之為理想狀態(tài)；

（2）實(shí)際狀態(tài)：指在“1.2 恒荷載+1.2 鋼束二次+徐變二次+收縮二次”的荷載組合下的狀態(tài)；

（3）極端預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)：假設(shè)當(dāng)二期恒載施加以后，有效預(yù)應(yīng)力只剩下張拉控制應(yīng)力的50%時的狀態(tài)；

（4）成橋20 年后的狀態(tài)：指實(shí)際狀態(tài)下經(jīng)過20年的預(yù)應(yīng)力損失情況下的狀態(tài)。

對依托橋梁工程計(jì)算時，以空間三維結(jié)構(gòu)模型對其進(jìn)行模擬，采用梁單元模擬各施工節(jié)段，1#、2#、3#、4#墩頂部為剛性固結(jié)，其成橋結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖如圖1所示。

圖1 成橋結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

該橋梁結(jié)構(gòu)模型單元數(shù)為240，橋梁結(jié)構(gòu)模型單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為261，施工階段總數(shù)為15，預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)為340。模型分析完以后，輸出理想成橋狀態(tài)及全橋自重下的結(jié)構(gòu)彎矩圖，經(jīng)驗(yàn)證該模型與實(shí)際情況相符，如圖2所示。

圖2 各種狀態(tài)下合龍段控制點(diǎn)彎矩值柱狀圖

其他狀態(tài)下的成橋結(jié)構(gòu)彎矩圖分別按其實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失值對模型中相應(yīng)預(yù)應(yīng)力束的張拉力進(jìn)行修改，重新分析模型即可。

3 不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)彎矩值對比分析

選取各合龍段控制點(diǎn)，得出各種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)彎矩值對比結(jié)果（見表1）和柱狀圖（見圖3）。

表1 各種狀態(tài)下合龍段控制點(diǎn)彎矩值對比表

表1（續(xù)）

分析表1 和圖3，可以發(fā)現(xiàn)相比理想狀態(tài)，考慮全橋全部預(yù)應(yīng)力束實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失值的情況下，6#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升38.27kN·m，變化不大；34#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升4 028.82kN·m，達(dá)到6.36%；62#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升4 034.02kN·m，達(dá)到6.56%；90#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升4 065.60kN·m，達(dá)到6.41%；118#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升48.5kN·m，變化不大。中跨和邊中跨合龍段節(jié)點(diǎn)彎矩值均大幅度上升，彎矩值增幅最大達(dá)6.56%，其彎矩值增大值最高達(dá)4 065.60kN·m，這對橋梁結(jié)構(gòu)受力非常的不利。

在假設(shè)的二期恒載施加以后，有效預(yù)應(yīng)力只剩下張拉控制應(yīng)力的50%的極端預(yù)應(yīng)力損失情況下，6#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升717.44kN·m，達(dá)到9.09%；34# 節(jié) 點(diǎn) 彎 矩 值 上 升16 761.62kN · m， 達(dá) 到26.48%；62#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升17 374.81kN·m，達(dá)到28.27%；90#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升16 987.66kN·m，達(dá)到26.77%；118#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升477.57kN·m，達(dá)到7.30%。中跨和邊中跨合龍段節(jié)點(diǎn)彎矩值均大幅度上升，彎矩值增幅最大達(dá)28.27%，其彎矩值增大值最高達(dá)17 374.81kN·m，這對橋梁結(jié)構(gòu)受力非常不利。

在成橋20年后的預(yù)應(yīng)力損失情況下進(jìn)行分析，6#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升717.44kN·m，達(dá)到9.09%；34#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升16 761.62kN·m，達(dá)到26.48%；62#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升17 374.81kN·m，達(dá)到28.27%；90#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升16 987.66kN·m，達(dá)到26.77%；118#節(jié)點(diǎn)彎矩值上升477.57kN·m，達(dá)到7.30%。中跨和邊中跨合龍段節(jié)點(diǎn)彎矩值均大幅度上升，彎矩值增幅最大達(dá)28.27%，其彎矩值增大最高達(dá)17 374.81kN·m，這對橋梁結(jié)構(gòu)受力非常不利。

4 不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)位移值對比分析

選取各合龍段控制點(diǎn)，得出各不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)彎矩值對比結(jié)果（見表2）和柱狀圖（見圖3）。

表2 各種狀態(tài)下合龍段控制點(diǎn)結(jié)構(gòu)位移對比表

圖3 各種狀態(tài)下合龍段控制點(diǎn)結(jié)構(gòu)位移柱狀圖

通過對表2 和圖3 進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：相比理想狀態(tài)，考慮全橋全部預(yù)應(yīng)力束實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失值的情況，6#節(jié)點(diǎn)和118#節(jié)點(diǎn)豎向位移基本不變；34#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大2.008mm；62#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大1.999mm；90#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大2.021mm。合龍段控制節(jié)點(diǎn)豎向位移均增大2mm左右，這對橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形造成明顯影響，在后期使用中隨著時間的推移，加之重車過橋等不規(guī)范操作，可能會導(dǎo)致跨中撓度繼續(xù)加大，進(jìn)而影響橋梁的使用性能和耐久性，這是橋梁結(jié)構(gòu)安全的一大隱患。

在假設(shè)的二期恒載施加以后，有效預(yù)應(yīng)力只剩下張拉控制應(yīng)力的50%的極端預(yù)應(yīng)力損失情況下，6#節(jié)點(diǎn)和118#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大1mm 左右；34#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大0.007 026m；62#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大0.007 048m；90#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大0.006929m。合龍段控制節(jié)點(diǎn)的豎向位移均增大7mm 左右，這對橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形造成明顯影響，在后期使用中隨著時間的推移，加之重車過橋等一系列不規(guī)范的操作，會導(dǎo)致跨中撓度繼續(xù)加大，進(jìn)而影響橋梁的使用性能和耐久性，這也是橋梁結(jié)構(gòu)安全的一大隱患。

在成橋20 年后的預(yù)應(yīng)力損失情況下進(jìn)行分析，6#節(jié)點(diǎn)和118#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大2.5mm 左右；34#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大0.011 126m；62#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大0.012 648m；90#節(jié)點(diǎn)豎向位移增大0.0119 26m。合龍段控制節(jié)點(diǎn)的豎向位移均增大12mm左右，這對橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形造成明顯影響，在后期使用中隨著時間的推移，加之重車過橋等一系列不規(guī)范的操作，會導(dǎo)致跨中撓度繼續(xù)加大，進(jìn)而影響橋梁的使用性能和耐久性，這也是橋梁結(jié)構(gòu)安全的一大隱患。

5 結(jié)論

本文探討了不同成橋狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力損失對多跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能的影響，并得出如下結(jié)論。

（1）由于實(shí)際成橋狀態(tài)預(yù)應(yīng)力損失值大于原計(jì)算值（預(yù)應(yīng)力損失預(yù)估不足），橋梁結(jié)構(gòu)合龍段控制節(jié)點(diǎn)彎矩值均大幅度上升，彎矩值增幅最高達(dá)6.5%以上，其彎矩值增大值最高達(dá)4 000kN·m以上，這對橋梁結(jié)構(gòu)受力非常不利。橋梁結(jié)構(gòu)合龍段控制節(jié)點(diǎn)的豎向位移均增大2mm 左右，這對橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形造成明顯影響，是橋梁結(jié)構(gòu)安全的一大隱患。

（2）在預(yù)應(yīng)力損失過大的情況下（預(yù)應(yīng)力損失50%），二期恒載施加后，中跨和邊中跨合龍段節(jié)點(diǎn)彎矩值均大幅上升，彎矩值增幅最大達(dá)28.27%，其彎矩值增大值最高達(dá)17 374.81kN·m，這對橋梁結(jié)構(gòu)受力非常不利。合龍段控制節(jié)點(diǎn)的豎向位移均增大7mm 左右，這對橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形造成明顯影響，會導(dǎo)致在對后期使用中出現(xiàn)跨中下?lián)线^大等病害。

（3）在預(yù)應(yīng)力損失過大的情況下（預(yù)應(yīng)力損失50%），成橋20年以后，中跨和邊中跨合龍段節(jié)點(diǎn)彎矩值均大幅上升，彎矩值增幅最大達(dá)28.44%，其彎矩值增大值最高達(dá)17 086.65kN·m，這對橋梁結(jié)構(gòu)受力非常的不利。合龍段控制節(jié)點(diǎn)的豎向位移均增大12mm左右，這對橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形造成明顯影響，會導(dǎo)致后期使用中出現(xiàn)跨中下?lián)线^大等病害。

從以上數(shù)據(jù)分析可見，預(yù)應(yīng)力損失對多跨連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能的影響不可小覷，它不僅影響到橋梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)彎矩值，對橋梁結(jié)構(gòu)受力造成威脅，還影響到橋梁的跨中撓度，對成橋線形造成明顯影響，直接導(dǎo)致橋梁后期使用中出現(xiàn)跨中下?lián)线^大等病害，嚴(yán)重影響橋梁的使用安全和使用壽命[10]。這一研究結(jié)論對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁應(yīng)力損失的研究有著積極的意義，并對其設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義。

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