施工工況對T梁預應力筋應力的影響

宋玉寶 賈艷敏 程 文

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

施工工況對T梁預應力筋應力的影響

宋玉寶 賈艷敏 程 文

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以三跨簡支轉連續預應力混凝土T梁橋為依托，對試驗梁預應力筋進行了應力監測，實測應力與理論應力吻合較好，并運用Midas/Civil有限元軟件建立了全橋模型，分析了張拉負彎矩鋼束對主梁預應力筋應力的影響，得出了一些有意義的結論。

簡支轉連續，預應力筋應力，應力增量，Midas

近年來，由于簡支轉連續梁橋所具有的優點，使該種橋型成為城市橋梁和高速公路橋梁建設中的業主第一選擇[1]。簡支轉連續梁橋中預應力筋是關鍵受力構件，預應力筋的應力分布及其變化直接影響橋梁結構承載力、剛度的變化[2]。因此，鑒于其重要性有必要對該種橋型在荷載作用下主梁預應力筋應力變化進行研究。

本文依托實際工程，對該工程主梁預應力筋的應力進行施工階段監測，將實測數據與Midas/Civil有限元模型值進行對比分析，總結出張拉負彎矩鋼束對主梁預應力筋應力的影響，為以后該類橋梁的設計與分析提供參考。

1 工程概況

寶貝河大橋為10跨預應力混凝土T梁橋，全橋分為(3×40+4×40+3×40)m三聯，結構體系為先簡支后連續結構，橋梁跨徑L=40 m，橋梁全寬12.25 m，采用C50混凝土及標準強度ftk=1 860 MPa的低松弛鋼絞線，預埋金屬波紋管制孔，采用兩端同時張拉工藝，張拉控制應力為0.75ftk。本試驗選取最后一聯(8跨～10跨)第9跨4號梁(9-4號梁)為試驗對象。橋梁總體布置情況見圖1，8號、9號墩頂4號梁負彎矩鋼束平面布置情況見圖2。

2 試驗測點布置及試驗工況

2.1 測點布置

T梁預制時在試驗梁跨中(A—A)、四分點(B—B)、梁端(C—C)截面鋼束N1，N4的①～⑥測點上埋置混凝土應變計。測點布置情況見圖3，圖4，儀器現場埋設情況見圖5。

2.2 試驗工況

由現場實測數據可知，張拉1，2，3，5號梁墩頂負彎矩鋼束對4號主梁的跨中、四分點、支點鋼筋應力影響較小，因此只分析張拉4號梁墩頂負彎矩鋼束對主梁預應力鋼筋應力的影響。該試驗分為12個荷載工況：

9號墩頂張拉工況及橫向張拉順序為：4-T3R(工況1)→4-T3L(工況2)→4-T2R(工況3)→4-T2L(工況4)→4-T1R(工況5)→4-T1L(工況6)。

8號墩頂張拉工況及橫向張拉順序為：4-T3L(工況7)→4-T3R(工況8)→4-T2L(工況9)→4-T2R(工況10)→4-T1L(工況11)→4-T1R(工況12)。

縱向張拉順序為9號墩頂→8號墩頂。

3 模型計算值與實測值對比分析

3.1 模型的建立

基于Midas/Civil軟件平臺，采用梁格法對寶貝河大橋進行有限元軟件模擬[3]。在建模之前，需對橋梁結構的有限元建模過程進行規劃分析[4]。為了更好的模擬主梁間的橫向連接，主梁間建立虛擬橫向聯系單元。9-4號梁負彎矩鋼束張拉劃分為12個施工階段。對墩頂處的模擬采用實體，更真實的模擬墩頂現澆段，使該仿真模型更加接近試驗橋梁。全橋共2 250個節點，3 629個單元，正彎矩鋼束75根，負彎矩鋼束60根。橋梁有限元模型半幅見圖6。

3.2 模型驗證與分析

通過對Midas/Civil有限元模型進行運算，計算得出A—A，B—B，C—C截面在工況12下(即最后一根負彎矩鋼束4-T1R張拉結束時)的應力值，將模型計算結果與現場實測數據進行對比分析。計算比較結果如表1～表3所示(表中壓應力為正，拉應力為負)。

表1 A—A截面應力實測值與理論值對比

表2 B—B截面應力實測值與理論值對比

表3 C—C截面應力實測值與理論值對比

由表1～表3中數據可知，通過Midas/Civil有限元模型計算的理論值與實測值吻合較好，最大誤差約為8.3%，由此驗證所建立的有限元模型是正確的。分析表中數據，在負彎矩鋼束張拉后可以看出測點位置均受壓。由于自重引起的正彎矩與預加力引起的負彎矩進行疊加，使得跨中彎矩代數和小于四分點彎矩代數和，根據材料力學構件截面應力計算公式[5]，A—A截面下緣測點壓應力較B—B截面測點壓應力小，且壓應力由梁下緣向上緣逐漸降低。由于負彎矩鋼束的作用，C—C截面壓應力由梁下緣向上緣逐漸增加。壓應力沿梁高呈線性分布，結構受力良好。

4 負彎矩張拉對預應力筋應力影響

4.1 預應力筋應力變化分析

通過有限元模型計算，得出測點①～⑥在每個工況下的預應力筋應力值，分析主梁預應力筋在上述工況下的應力變化趨勢。計算結果見圖7～圖10。

由圖7，圖8可以看出：在工況1～6作用下，N1，N4測點上的應力均呈減小趨勢，由此可知負彎矩鋼束張拉使主梁產生負彎矩，中性軸以下的混凝土受壓，鋼筋與混凝土共同變形[6]，預應力筋產生壓應變，從而使得預應力筋的永存有效預應力減少。根據結構力學的位移法可知[7]，對于超靜定梁梁端受到偏心力的作用使得梁端產生轉角，根據轉角位移方程可知試驗梁測點截面在負彎矩鋼束作用下所受內力為負彎矩，使截面產生上拉下壓的內力，因此模型計算結果符合構件理論受力狀態。同時可以知道由于N4的測點位置沿梁高大于N1，因此N4預應力筋應力受負彎矩影響較N1大。

由圖9，圖10可以看出：在工況7～12作用下，N1跨中截面鋼束應力減少，而四分點截面、支點截面鋼束應力增加。N4跨中、支點鋼束應力減小，四分點鋼束應力增加。由于工況7～12為8號墩頂負彎矩束張拉，根據結構力學可知超靜定結構受到負彎矩拉力的作用，使截面A—A受力為負彎矩內力，而截面B—B、截面C—C受力為正彎矩內力。因此在A—A斷面產生上拉下壓，而在B—B，C—C斷面產生上壓下拉的內力，同樣滿足構件理論受力狀態。對比圖9與圖10可以看出跨中、四分點截面鋼束N1，N4應力變化一致，而支點截面則不同，這是由于對于支點斷面測點①位于中性軸之上，因此在正彎矩作用下測點①鋼束應力減小，而測點⑥鋼束應力增加。

4.2 預應力筋應力增量變化分析

通過模型計算，測點①～⑥預應力筋應力增量值見圖11～圖14。

由圖11，圖12可以看出：在工況1～6作用下鋼束N1，N4的應力增量均為負值，即均使預應力筋應力減小。對比圖11與圖12可知，鋼束N1上的測點應力減小值均小于鋼束N4上的測點應力，且N1，N4應力減小值最大分別為2.2 MPa，5.5 MPa，均是位于支點截面，負彎矩束張拉對N1，N4跨中應力影響均小于支點截面。

由圖13，圖14可以看出：在工況7～12作用下對鋼束應力影響與工況1～6不同，該工況使得鋼束N1四分點、支點截面的應力增加，跨中截面應力減少，對于鋼束N4跨中、支點截面應力減少、而四分點應力增加。對比圖13與圖14可知，跨中和四分點鋼束應力變化趨勢一致，支點的鋼束應力變化趨勢相反，這符合上述鋼束應力的分析，跨中測點在中性軸之下，受到負彎矩作用，測點均受壓，四分點測點位于中性軸之下，受到正彎矩作用，測點均受拉，而支點測點被中性軸分隔，受到正彎矩作用，梁上緣測點受壓，下緣測點受拉。跨中截面鋼束應力變化最大，N1，N4應力減小量分別為0.8 MPa，0.9 MPa。

5 結語

本文以實際工程為依托，在負彎矩鋼束張拉的工況下對試驗梁的跨中、四分之三、梁端預應力筋應力進行現場監測，通過實測值與模型理論值對比分析可以得到如下結論:

1)實測混凝土應力及混凝土應力理論值比較，二者應力吻合的較好，試驗驗證了運用混凝土應變計進行預應力混凝土結構應力監測是可行的，可供類似工程參考。

2)通過模型計算分析預應力筋應力變化，可知在1～6工況下對N1，N4測點上的應力均呈減小趨勢，N4預應力筋應力受負彎矩影響較N1大。在7～12工況下跨中、四分點截面鋼束N1，N4應力變化一致，而支點截面則不同，測點①鋼束應力減小，而測點⑥鋼束應力增加。

3)通過模型計算分析預應力筋應力增量變化，可知在1～6工況下鋼束N1，N4的應力增量均為負值，即均使預應力筋應力減小。N1，N4應力減小值最大分別為2.2 MPa，5.5 MPa，且位于支點斷面，負彎矩束張拉對N1，N4支點截面影響較大，因此施工時應注意對負彎矩束張拉應力的控制。在7～12工況下跨中和四分點鋼束應力變化趨勢一致，支點的鋼束應力變化趨勢相反，跨中截面鋼束應力變化最大，N1，N4應力減小量分別為0.8 MPa，0.9 MPa。

[1] 羅 皓.張拉控制應力對簡支轉連續梁橋應力影響研究[D].長春：吉林大學,2013.

[2] 國茂華,侯建國,陳守祥.某主廠房側煤倉框架梁預應力筋應力監測與分析[J].武漢大學學報(工學版),2013(S1):135-138.

[3] 周水興,王小松,田維鋒，等.橋梁結構電算[M].北京:人民交通出版社,2013:50-85.

[4] 葛俊穎.橋梁工程軟件Midas civil使用指南[M].北京:人民交通出版社,2013.

[5] 孫訓方.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] 賈艷敏,高 力.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2004.

[7] 李廉錕.結構力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

Influence of construction conditions on T-beam prestressed tendons stress

Song Yubao Jia Yanmin Cheng Wen

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

With three span simply supported continuous prestressed concrete T-beam bridge as the basis, stress monitoring of prestressed reinforcement of the tested beam, the measured stress are in good agreement with the theory stress. Using the finite element software Midas/Civil to establish the whole bridge model, analysis of tensioned negative moment reinforcement effects on prestressed tendons stress of main girder, some meaningful conclusions are drawn.

simply supported continuous, prestressed tendons stress, stress increment， Midas

2014-11-22

宋玉寶(1987- )，男，在讀碩士； 賈艷敏(1962- )，女，博士，博士生導師，教授； 程 文(1990- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)04-0164-03

U448.35

A