預應力配束對連續箱梁內力影響分析

姜 磊

（北京國道通公路設計研究院股份有限公司，北京100053）

1 概述

預應力連續箱梁結構形式在市政及公路橋梁建設中屢見不鮮，影響其結構設計的因素有很多，但設計的最終是結構抗力大于結構內力。從抗力和內力兩個方向追溯，影響內力的因素主要有作用效應、跨徑布置等，影響抗力的因素主要有配筋、配束、截面尺寸和材料特性等，其中兩項同時影響的因素有配束、截面尺寸和材料特性等。但在工程設計中一些參數受到限制已經固定，例如活載類型、二期恒載、材料特性、結構高度以及跨徑，為了滿足結構要求，只能從配束方式得以解決，因此有效的預應力配束對工程設計有著重要的影響。

在實際工程中，考慮到預應力損失、溫度與收縮徐變的影響，連續箱梁結構一般控制在一聯150 m以下，跨徑一般為2跨、3跨、4跨、5跨，本次分析便從這4種跨徑形式出發，分別對其進行計算比較分析，得出結論以指導設計。

2 計算分析主要內容

本次計算分析內容主要有兩項：

a）不同分跨對結構內力的影響，主要對比結構各跨跨中及支點彎矩，因為連續梁內的預應力束筋的布置通常以實際荷載作用下的彎矩圖形的線型變化為參考，即吻合束線型。

b）各跨跨中預應力束重心位置對結構內力的影響，主要對比結構各跨跨中及支點彎矩。

3 計算模型及計算程序的選取

為了分析結果具有可比性，擬定結構的跨徑統一為30 m，分別為：

a）結構一2×30 m；

b）結構二3×30 m；

c）結構三4×30 m；

d）結構四5×30 m。

模型采用平面桿系單元，支承為鉸接，截面抗彎剛度EI=1.26×1011m2,自重G=95 kN/m，計算程序采用結構力學求解器（SM Solver）。計算模型圖見圖1。

圖1 2～5跨計算模型圖

各跨跨中梁底預應力鋼束重心位置變化采用等代作用效應，即通過配重調整模擬。當預應力鋼束重心下移，相當于自重卸荷；預應力鋼束重心上移動，相當于自重加荷。

4 計算結果分析

4.1 恒載作用下內力（彎矩）結果對比

通過計算得出4種分跨結構自重下（不考慮預應力）的內力結果，對其進行匯總，比較每種分跨結構對箱梁內力的影響。結果見圖2和表1。

圖2 2～5跨自重內力結果

表1 2～5跨自重內力匯總表kN·m

從表1可以看出，各分跨結構支點負彎矩絕對值和跨中正彎矩值絕對值均為邊跨大于中跨，且全橋負彎矩絕對值大于正彎矩值絕對值,即全橋由支點負彎矩控制設計。3跨結構支點負彎矩絕對值小于相鄰偶數跨結構支點負彎矩絕對值，即奇數分跨較偶數分跨合理。

4.2 跨中梁底預應力重心位置調整內力結果對比

通過分別對各分跨結構邊跨、中跨（對稱調整自重20%）配重的調整模擬預應力重心位置的變化來研究結構正負彎矩的變化規律。梁底鋼束重心下移，自重減輕20%，梁底鋼束重心上移，自重增加20%。

4.2.1 2跨結構

計算結果見表2。

表2 2跨結構調束內力匯總表kN·m

從表2可以看出，邊跨跨中梁底鋼束上移，正、負彎矩均增大；梁底鋼束下移，正、負彎矩均減小。

合理配束方式應為跨中梁底鋼束重心盡量壓低。

4.2.2 3跨結構

計算結果見表3。

表3 3跨結構調束內力匯總表kN·m

從表3可以看出：

a）對于跨中正彎矩 鋼束上移，本跨跨中正彎矩增大，鄰跨正彎矩減小，下移作用相反。

b）對于支點負彎矩 邊跨跨中、中跨跨中梁底鋼束上移，負彎矩均增大；梁底鋼束下移，負彎矩均減小。

因此，配束方式應為3跨跨中鋼束盡量壓低，當中跨跨中梁頂出現拉應力時，可將中跨跨中梁底鋼束適當上移以加大中跨跨中正彎矩。

4.2.3 4跨結構

計算結果見表4。

表4 4跨結構調束內力匯總表kN·m

從表4可以看出：

a）對于跨中正彎矩 邊跨鋼束上移，邊跨跨中正彎矩增大，中跨跨中正彎矩減小，下移作用相反；中跨鋼束上移，中跨跨中正彎矩增大，邊跨跨中正彎矩減小，下移作用相反。

b）對于支點負彎矩 邊跨鋼束上移，邊跨支點負彎矩增大，中跨支點負彎矩減小，下移作用相反；中跨鋼束上移，邊跨、中跨支點負彎矩均增大，下移作用相反。

因此，調束方式分為兩組，一組是邊跨鋼束上移與中跨鋼束下移同時進行（初次布束），以減小中跨支點負彎矩；另一組是邊跨鋼束下移與中跨鋼束上移同時進行，加大中跨支點負彎矩。

一般情況下，有時邊跨支點負彎矩大，有時中跨支點負彎矩大，此時可通過上述兩組方法進行兩處負彎矩平衡分配。

4.2.4 5跨結構

計算結果見表5。

表5 5跨結構調束內力匯總表kN·m

從表5中可以看出，6種調束結果引起兩種跨中正彎矩趨勢，4種支點負彎矩趨勢。

a）對于跨中正彎矩 邊跨鋼束上移、中跨鋼束上移和邊中跨鋼束下移均引起邊跨跨中、中跨跨中正彎矩增大，邊中跨跨中正彎矩減小；邊跨鋼束下移、中跨鋼束下移和邊中跨鋼束上移均引起邊跨跨中、中跨跨中正彎矩減小，邊中跨跨中正彎矩增大。

b）對于支點負彎矩 邊跨鋼束上移、中跨鋼束下移引起邊跨支點負彎矩增大，中跨支點負彎矩減小；邊跨鋼束下移、中跨鋼束上移引起邊跨支點負彎矩減小，中跨支點負彎矩增大；邊中跨鋼束上移，引起所有支點負彎矩增大；邊中跨鋼束下移，引起所有支點負彎矩減小。

由于5跨結構復雜，合理布束需根據初算確定最不利位置后用上述方法進行調束，以改善結構受力使之滿足要求。

5 結論

通過對以上4種分跨形式的計算分析，總結出了預應力的配束線型對結構內力的影響趨勢。綜合來講：

a）奇數跨較偶數跨合理；

b）2跨負彎矩值最大，3跨負彎矩值最小；

c）跨數越少受力越明確，跨數越多受力越復雜，故實際工程中3跨、4跨結構應用較多，2跨、5跨結構應用較少；

d）2跨、3跨結構邊跨跨中預應力鋼束重心盡量壓低；

e）4跨、5跨結構應根據計算結果采用上述調束方法進行調試。

以上方法均針對各分跨跨中鋼束重心位置進行的分析，支點處鋼束重心的位置主要影響該支點處結構的抗力及應力，且受力模型及調整趨勢較明確，此處不再進行分析。