大跨度連續剛構橋懸臂施工期預應力損失研究

張鑫

摘要：文章以在建麻昭高速公路牛家溝特大橋實際工程為背景，采用有限元法模擬橋梁懸臂施工期縱向預應力筋束的張拉過程，以預應力損失最小為原則確定最優的預應力鋼束張拉次序，提出針對連續剛構橋預應力張拉施工的“先張拉頂板鋼束，再張拉腹板鋼束”的張拉次序原則，研究成果對有效預估連續剛構橋懸臂施工期預應力損失有一定參考價值。

關鍵詞：大跨度連續剛構橋；預應力損失；預應力張拉；張拉次序；懸臂施工 文獻標識碼：A

中圖分類號：U448 文章編號：1009-2374（2016）01-0103-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.052

隨著西部大開發戰略的實施，我國高速公路建設逐步進入山區，跨越深溝峽谷能力強的大跨徑預應力混凝土連續剛構橋得到了廣泛推廣。預應力筋的張拉是連續剛構橋懸臂施工期的關鍵環節，張拉過程是一個復雜的非線性的力學傳遞、分配過程。其中，多束預應力筋的分批次張拉可引起已張拉力筋預應力的損失，后續預應力筋的張拉必然引起已張拉力筋預應力的損失，豎向和水平力筋的張拉也必然對縱向力筋的預應力水平有一定的影響。相關研究表明，剛構橋懸臂施工過程中的預應力損失甚至可達張拉控制力設計值的20%左右，因此正確地預估預應力損失是保證工程安全性的關鍵。

本文通過分析預應力混凝土連續剛構橋在施工階段的預應力損失理論，以在建的麻昭高速公路牛家溝特大橋實際工程為背景，利用有限元分析方法對連續剛構橋懸臂施工期多束預應力筋分批次張拉所引起的預應力損失進行分析。在此基礎之上，結合實際施工情況，提出幾種典型的預應力張拉方案，并在分析模型中進行模擬張拉，通過比較幾種不同的張拉次序下結構的預應力損失情況，以預應力損失最小為原則提出連續剛構橋懸臂施工期的最優縱向預應力鋼束張拉次序。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概況

本文以在建麻昭高速公路牛家溝特大橋實際工程為背景。主橋箱梁為55+180+95m的單箱單室變截面預應力混凝土連續箱梁結構，外腹板采用豎直腹板形式，箱梁頂板寬度為12m，箱梁底板寬度為6.5m。全橋采用掛籃懸臂澆注的施工工藝。箱梁采用C55混凝土，三向預應力結構，縱、橫向預應力鋼絞線采用符合GB/T 5224-2003標準的φ15.2mm低松弛鋼絞線；縱向預應力采用M15-22、M15-16錨具，管道形成采用塑料波紋管成孔；頂板橫向預應力采用BM15-3錨具，管道采用內徑70mm×25mm扁形塑料波紋管成孔；豎向預應力0#～8#塊采用3φ15.2mm低松弛鋼絞線，9#～21#塊采用高強精軋螺紋粗鋼筋（φ=32mm），管道形成采用內徑φ50mm塑料波紋管成孔，張拉控制力為580.5kN。

1.2 計算模型

本文僅對0#塊、1#塊上預應力筋的張拉過程進行數值模擬分析，之后施工的梁段均是依此循環進行的。有限元模型共包含80個節點，76個梁單元，預應力鋼束荷載16組，預應力鋼筋總束數為16束。

1.3 預應力鋼筋的模擬

預應力施加步驟如下：（1）定義預應力鋼筋的截面特性與普通鋼材性質，同時考慮材料的極限強度、摩擦系數、波紋管直徑及預應力鋼束特性值；（2）根據設計要求定義預應力鋼筋的坐標值，構建預應力鋼筋的形狀；（3）參照施工期張拉次序施加預應力荷載，定義預應力鋼筋的初始張拉控制應力。

1.4 定義邊界條件

對0#塊進行空間仿真分析時，原則上需要同時模擬支座與0#塊，以便真實反映邊界約束條件。但是，若同時模擬支座與0#塊，建模較困難，支座與箱梁底板的連接不好處理。在工程實際中，常常關注的是0#塊的空間應力分布，支座處的設計偏安全，因此可以通過在0#塊箱梁與支座相交的范圍內施加約束條件來近似的模擬邊界約束。

2 縱向預應力筋不同分批張拉對預應力損失的影響分析

在縱向預應力筋不同分批張拉對預應力損失的影響分析中，本文擬對各張拉方案中控制截面的位移、應力及混凝土彈性壓縮預應力的損失進行比較，研究分批次張拉對預應力損失的影響。實際工程中，0#塊總長16m，1#塊長為3m。0#、1#梁段截面的預應力鋼束布置。

各項預應力損失中，瞬時損失占較大比例。不同張拉方案下，兩種方案的瞬時損失值一樣，收縮徐變損失、松弛損失相差不大。方案2即先張拉頂板束后張拉腹板束下預應力損失最小。

2.1 混凝土彈性壓縮預應力損失計算及分析

在連續剛構橋懸臂施工期的預應力張拉過程中，采取任何張拉次序均可導致先張預應力筋產生預應力損失。本文取的施工階段為0號節段至1節段，通過模型計算得到采用方案1與方案3張拉次序時各預應力筋束在懸臂端部由混凝土彈性壓縮引起的先張預應力筋束的預應力累計損失結果。

計算結果表明：由于張拉方案3采用同一截面預應力鋼束張拉存在先后順序，因此預應力的彈性損失可達到10.193MPa，有必要繼續研究在同一截面上，分批次非對稱張拉對預應力損失的影響。

2.2 不同分批張拉對縱向預應力筋預應力損失的影響分析

為了研究在施工時，縱向預應力鋼筋不同分批張拉對預應力損失的影響，通過有限元模型計算分別模擬了方案1、方案3、方案4、方案5的預應力損失的情況。以幾種方案張拉的效果可以看出，對稱張拉的彈性損失最小。在非對稱張拉方案中，預應力彈性損失從大到小的排列順序依次為方案3、方案5、方案4。因此，采用方案4較為合理。

3 結語

本文以在建麻昭高速公路牛家溝特大橋實際工程為背景，采用有限元法模擬了橋梁懸臂施工期縱向預應力筋束的張拉過程，設計多種張拉方案，以預應力損失最小為原則確定最優的預應力鋼束張拉次序。研究結果表明：連續剛構橋在懸臂施工階段的預應力張拉過程中，為將后張拉批次預應力鋼束張拉所引起的混凝土彈性壓縮所造成的先批次張拉預應力鋼束所產生預應力損失降低，宜遵循左右對稱原則，即本文提出的張拉案1（先張拉頂板束后張拉腹板束）；如不具備對稱張拉的條件時，從預應力損失最小角度考慮，可優先考慮方案4；方案5左右兩側預應力基本偏于平衡，在張拉的過程中也盡量遵循了左右對稱的張拉原則。

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（責任編輯：黃銀芳）