基于Midas/Civil大跨連續(xù)剛構(gòu)橋二次張拉設(shè)置作用的研究

劉方華+郭麗+趙鵬

摘要：在連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者往往對(duì)使用過程中預(yù)應(yīng)力損失量把握不準(zhǔn)確，導(dǎo)致橋梁使用過程中梁體跨中下?lián)犀F(xiàn)象較為嚴(yán)重，在一些大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中尤為明顯。本文針對(duì)目前已建橋梁，應(yīng)用有限元軟件Madis/civil，對(duì)其預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行分析，找出二次張拉位置、二次張拉量以及二次張拉時(shí)間對(duì)跨中下?lián)系挠绊懀⑻岢隽艘环N新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；跨中下?lián)希欢螐埨?/p>

一、引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁建設(shè)發(fā)展越來越快，橋梁跨度也在不斷增大。在早期，橋梁中最常見的結(jié)構(gòu)形式是簡支梁橋。簡支梁橋要增加跨徑，需要抵消其跨中截面的自重彎矩。抵抗增加的自重彎矩的辦法就只能是增加截面尺寸，而這樣又不可避免地導(dǎo)致自重的增加，以至于最后截面尺寸的增加大部分都用于抵消增加部分材料自重引起的內(nèi)力。近年來我國橋梁技術(shù)日趨成熟，解決這些病害的能力也越來越成熟，但是隨著橋梁跨徑的不斷增大，跨中持續(xù)下?lián)弦约傲后w裂縫兩大問題亟待處理。梁體裂縫的開展會(huì)導(dǎo)致主梁剛度下降，從而導(dǎo)致梁體跨中下?lián)系脑鲩L，同時(shí)跨中下?lián)系脑鲩L又會(huì)導(dǎo)致梁體開裂，當(dāng)下?lián)线_(dá)到較大數(shù)值時(shí)，病害就比較嚴(yán)重了。

近十年來，國內(nèi)外一些大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中均出現(xiàn)了一些大大小小的下?lián)蠁栴}。其中超出設(shè)計(jì)許可的下?lián)嫌绊懥藰蛄旱男熊嚢踩档土藰蛄菏褂媚晗蕖Ｔ谑┕た刂浦胁捎迷龃箢A(yù)拋高值的辦法，僅能在一定程度上改善主梁線性，無法從根本上緩解主跨持續(xù)下?lián)蠣顟B(tài)，以及由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不斷惡化。橋梁跨中下?lián)希绕涫谴罂缍萈C連續(xù)剛構(gòu)橋的病害問題是工程上一個(gè)亟待解決的問題，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了諸多研究，也已取得了一些成果。但是目前仍沒有很好的解決措施，尤其對(duì)于一些大跨度的橋梁而言，只能夠定期采取體外預(yù)應(yīng)力加固的方式緩解跨中下?lián)系牟『Α１疚囊砸呀蛄簽榛A(chǔ)，利用有限元軟件Midas/Civil建立模型，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，保證模型的正確性，提出二次張拉設(shè)想，利用該模型驗(yàn)證其正確性。此研究對(duì)解決跨中下?lián)蠁栴}有著重要的工程價(jià)值。

二、工程概況

本文采用的工程模型實(shí)例為沅水大橋主橋、黃石公路長江大橋主橋和虎門大橋輔航道橋。沅水大橋主橋總長2856m，是大跨PC變截面懸澆連續(xù)剛構(gòu)橋；黃石公路長江大橋總長1060m，是五跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋；虎門大橋輔航道橋總長2580m，是三跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋。通過對(duì)三座模型進(jìn)行理論研究，首先驗(yàn)證了三座橋梁的模型正確性，對(duì)比監(jiān)測數(shù)據(jù)以及模型建立實(shí)際受力情況，本研究分別對(duì)三座橋梁成橋時(shí)工況及預(yù)應(yīng)力損失30%工況下進(jìn)行建模，并對(duì)各自現(xiàn)場實(shí)際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)模型受力情況完全符合實(shí)測要求，驗(yàn)證模型受力正確。同時(shí)發(fā)現(xiàn)三座橋梁截至維護(hù)加固前其跨中下?lián)暇殉^預(yù)應(yīng)力損失30%工況的下?lián)现怠?/p>

三、二次張拉設(shè)置對(duì)大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋的作用

1.二次張拉設(shè)置方法的提出

通過實(shí)測數(shù)據(jù)與模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，跨中下?lián)系氖滓：σ蛩厥穷A(yù)應(yīng)力損失。為治理此種病害，本文特提出一種二次張拉設(shè)置方式，通過在橋梁底板中預(yù)留一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力孔道，在合適的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行二次張拉，可以有效地解決此類病害問題。

2.二次張拉位置確定

通過對(duì)比各類不同情況的影響比例發(fā)現(xiàn)，沅水大橋主橋在跨中張拉影響比例不到10%，而在第5個(gè)懸澆段張拉影響比例達(dá)到20%；虎門大橋輔航道橋較為平穩(wěn)，跨中張拉影響比例為102%，而在第4～6個(gè)懸澆段位置均能達(dá)到17%以上；黃石公路長江大橋跨中張拉影響比例為20%，而在第4～6個(gè)懸澆段位置可以達(dá)到30%。三座橋梁模型驗(yàn)證得出的結(jié)論都有相同的規(guī)律，從跨中出每跨一個(gè)懸澆段張拉影響都在逐漸升高，待到4～6個(gè)懸澆段之后由于預(yù)應(yīng)力束的增長，預(yù)應(yīng)力補(bǔ)充反而減少，張拉影響比例也在逐漸下降。由此可知，在距離1/4跨左右處（4～6個(gè)懸澆段位置）張拉的恢復(fù)效果最好。

3.二次張拉數(shù)量確定

沅水大橋主橋在張拉數(shù)量比例為10%時(shí)，位移變化量僅有135%（095cm），底板最大壓應(yīng)力也只有686MPa，但當(dāng)其張拉數(shù)量比例在35%時(shí)，位移變化量能達(dá)到4182%（294cm），底板最大壓應(yīng)力也增加至1025MPa，如果張拉數(shù)量繼續(xù)增大，將導(dǎo)致底板抗拉達(dá)到極限而開裂；虎門大橋輔航道橋在張拉數(shù)量比例為10%時(shí)，位移變化量僅有53%（316cm），底板最大壓應(yīng)力也有1541MPa，但是當(dāng)其張拉30%時(shí)，位移變化量可達(dá)16%（951cm），其底板應(yīng)力高達(dá)21MPa；黃石公路長江大橋在張拉數(shù)量比例10%時(shí)，位移變化量僅有1218%（183cm），底板最大壓應(yīng)力可達(dá)932MPa，但是當(dāng)其張拉30%時(shí)，位移恢復(fù)量可達(dá)3546%（533cm），但底板最大壓應(yīng)力也達(dá)到1622MPa。通過對(duì)比數(shù)量變化可知，張拉量越大，跨中下?lián)系幕謴?fù)越好，但是張拉時(shí)應(yīng)力也越大；同時(shí)張拉恢復(fù)量及底板最大壓應(yīng)力也和橋梁跨度有關(guān)，跨度越大恢復(fù)量越小，所以在滿足底板最大壓應(yīng)力的前提下選擇合適的張拉數(shù)量最為適宜。

4.二次張拉時(shí)間確定

在確定二次張拉時(shí)間時(shí)，本文通過采用五個(gè)時(shí)間段進(jìn)行二次張拉，對(duì)比不同張拉時(shí)間時(shí)對(duì)橋梁跨中下?lián)系幕謴?fù)量以及底板最大壓應(yīng)力，從而找出其中最有利的張拉時(shí)間。五個(gè)不同時(shí)間工況分別為成橋時(shí)、成橋一年后、成橋兩年后、成橋三年后以及成橋五年后。通過不同時(shí)間張拉發(fā)現(xiàn)，沅水大橋主橋從成橋時(shí)的底板最大壓應(yīng)力1076MPa降低至五年后張拉的97MPa。底板最大壓應(yīng)力呈逐年遞減狀態(tài)，成橋一年后為1031MPa，成橋兩年后為1018MPa，成橋三年后為992MPa，但是恢復(fù)位移也越來越少，從563cm降低至543cm。其中成橋一年后為553cm，成橋兩年后為548cm，成橋三年后為546cm。黃石公路長江大橋底板壓應(yīng)力從1771MPa降低至1531MPa，底板最大壓應(yīng)力同樣呈逐年遞減狀態(tài)，同時(shí)在成橋一年后有明顯的協(xié)力變化，其中成橋一年后為1638MPa，成橋兩年后為1592MPa，成橋三年后為1575MPa，位移恢復(fù)量也從1453cm降低至1247cm，同時(shí)在成橋一年后位移恢復(fù)量降低也明顯加快，成橋一年后的位移恢復(fù)量就已經(jīng)降低至1256cm。虎門大橋輔航道橋底板壓應(yīng)力從2963MPa降低至2093MPa，位移恢復(fù)量從2578cm降低至2192cm，變化規(guī)律與其他兩座橋梁一致，底板最大壓應(yīng)力和位移恢復(fù)量在成橋一年后都有明顯的斜率變化。通過對(duì)成橋后不同時(shí)間段進(jìn)行二次張拉的比較結(jié)果可知，張拉時(shí)間越晚，對(duì)跨中下?lián)系幕謴?fù)越不利，但是張拉越早，底板壓應(yīng)力就越大，在成橋一年后有一個(gè)明顯的斜率變化。所以在滿足規(guī)范的前提下，張拉時(shí)間盡量選擇在底板壓應(yīng)力不超標(biāo)，成橋一年之后為宜。

四、結(jié)論

本文根據(jù)已建三座橋梁分析，提出了一種二次張拉設(shè)置的方法，用于緩解此類病害。通過研究發(fā)現(xiàn)，在距離1/4跨左右處（4～6個(gè)懸澆段位置）張拉的恢復(fù)效果最好，張拉量不超過規(guī)范要求，張拉時(shí)間盡量選擇在底板壓應(yīng)力不超標(biāo)的一年之后，保證結(jié)構(gòu)底板最大壓應(yīng)力滿足相關(guān)規(guī)范。按照正規(guī)工藝要求進(jìn)行施工，將有效地緩解跨中下?lián)系陌Y狀。至于如何完全根治此類病害還需要進(jìn)一步研究。

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基金項(xiàng)目：江西省教育廳科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GJJ151156）；江西科技學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ZR15QN05）。

作者簡介：劉方華（1989—），碩士，講師，研究方向：箱梁橋的設(shè)計(jì)與分析。