大跨PC剛構橋懸臂梁臨時張拉體外束對成橋結構的影響

李昆

(湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 410004)

近年來，隨著中國橋梁工程建設的火熱進行，越來越多的大跨徑PC剛構橋在工程中得以應用。然而，由于不同的施工條件、環境因素、設計方案以及橋梁竣工后的運營等條件的制約，導致大跨徑PC剛構橋出現不同程度的損壞現象，尤其是產生的撓曲變形，對于橋梁工程的安全至關重要。

現有研究發現，有效預應力偏小是橋梁跨中產生撓曲變形的重要影響因素。目前，為了改變這一現象，中國許多學者做了相關的工作。張陽等針對大跨PC剛構橋的開裂和跨中撓曲變形，從基本機理出發，分析了預應力損失和撓曲變形對橋梁結構的影響，并提出了相應的解決方案；張俊以某橋梁工程為背景，通過對其應力分析，提出應該在橋梁跨中底板位置進行加筋，以防止其開裂；張興志等認為大跨PC剛構橋預應力鋼束張拉伸長值對于橋梁工程施工安全與否至關重要，并對管道摩阻系數、偏差系數等參數進行了分析，此外還分析了計算值和實測值產生誤差的原因，并提出相關建議。

該文以紅巖溪特大橋為依托工程，利用有限元軟件，分析臨時體外束方案的可行性及對提出的4種方案下梁體成橋后結構受力、變形及預應力損失的影響。

1 臨時體外束的作用原理

混凝土徐變效應向來被認為是導致大跨PC梁橋成橋后跨中撓曲變形一直增大的原因，機理如下：① 成橋后混凝土的徐變將引起結構的內力重分布，使梁體內壓應力的分布更加均勻；② 大跨PC梁橋采用懸臂施工時，由于工期長和收縮現象而產生了撓曲變形，此外由材料力學知識可知，施工過程中上表面應力大于下表面，因此上表面產生的徐變也越大；施工完成后，橋面荷載使負彎矩區轉角增大，最終引起梁體的下撓。按照上述原理，擬在箱梁懸臂施工階段對箱梁的內側進行臨時錨固并進行預張拉。此外，在拆除臨時體外束后，箱梁會產生回彈，致使箱梁下緣應力增加，這樣可以使得跨中截面抗裂性能增強。

2 工程背景

2.1 工程概況

湖南龍(山)永(順)高速公路上的紅巖溪大橋為主跨(110+230+110) m PC剛構橋，其中跨梁高4.5 m，根部梁高14.2 m，頂板寬度10 m，厚度0.35～0.7 m，底板寬度6.0 m，厚度0.4～1.0 m，橋梁結構見圖1。

圖1 紅巖溪特大橋主梁構造(半個“T”)(單位：cm)

紅巖溪特大橋采用三向(縱向、橫向、豎向)預應力。對于邊跨頂板，前期和中跨的頂板和底板采用20φs15.0 mm規格的鋼絞線，而對于前期下彎束、中跨頂板的后期束均采用19φs15.0 mm規格的鋼絞線，采用兩端張拉的方法，其中混凝土標號為C45。

2.2 臨時張拉體外束方案

采用表1所示的4種臨時束方案，并在2#塊、7#塊、14#塊設置臨時體外束。對于方案1、2、3，其安設位置在底板，底板束距離底板約60 cm；此外，表中方案a為方案1的對比組。對于上述4種方案均采用對稱布置，進行兩端拉伸，且臨時束張拉控制應力大小為1 400 MPa，形式如圖2所示。

表1 各方案參數表

圖2 臨時張拉束布置示意圖

3 數值分析

3.1 數值模型

采用Midas/Civil軟件進行數值模擬。建模時包括橋梁橋墩、橫隔板、吊架以及主梁等，實際模擬過程中，使用預應力鋼束來模擬預應力鋼筋，使用梁單元來模擬橋梁橋墩、橫隔板以及主梁等，并對橋墩底部和邊跨位置豎向自由度進行約束。模型建立過程中，管道壁和預應力束之間的摩擦系數取0.15，鋼筋的松弛因子值取0.045。圖3為混凝土徐變系數、收縮應變時程曲線，在有限元中設置混凝土收縮開始時間為3 d，而加載開始時間為7 d。

3.2 結果與分析

3.2.1 成橋后應力分析

對于橋梁跨中位置，在拆除臨時支護約束后一般會出現彈性回彈現象。圖4、5分別為拆除臨時體外束對跨中截面應力、支點截面應力的影響。

圖3 混凝土徐變系數、收縮應變時程曲線

圖4 拆除臨時體外束對跨中截面應力的影響

圖5 拆除臨時體外束對支點截面應力的影響

由圖4可知：對于方案a，在拆除前和拆除后二者跨中上緣和下緣應力大小相等，而對于跨中上緣，方案1～3拆除后的壓應力值均比拆除前減小，且方案1～3跨中上緣壓應力減小值逐漸增大。對于跨中下緣，方案1～3拆除后的壓應力值均比拆除前增大，且方案1～3跨中下緣壓應力增大值逐漸增大。圖5顯示，對于方案a，在拆除前和拆除后二者支點上緣和支點下緣應力大小存在較大差異，而對于支點上緣，方案1～3拆除后的應力值與拆除前基本一致，4種方案中，方案a支點上緣壓應力值變化最大。對于支點下緣，方案a和方案1～3拆除后的壓應力值基本相等，而拆去前的支點下緣壓應力值逐漸增大。

對比成橋后跨中截面及支點截面的應力變化，如圖6、7所示(規定受壓為負，受拉為正，下同)。

圖6 成橋后跨中截面應力時程曲線

由圖6可知：① 方案1～3跨中上緣壓應力均會減小，且方案3小于方案2，方案2小于方案1，當采用方案a時基本與原設計相同，不產生影響；② 方案1～3均會增大跨中下緣壓應力，且方案3大于方案2，方案2大于方案1，當采用方案a時也基本不產生影響。將方案3與原設計方案對比，可知在下緣位置初始和20年時間點，方案3壓應力分別大1.5和0.8 MPa，說明方案3可以有效增大橋梁跨中抗裂能力。

由圖7可知：方案1～3和方案a支點截面上緣和下緣壓應力基本與原設計相同，上緣壓應力略減小而下緣略增大。將方案3與原設計方案對比，可知在下緣位置初始和20年時間點，方案3壓應力分別大0.2和0.3 MPa，說明方案3以及其他方案作用不明顯。

圖7 成橋后支點截面應力時程曲線(單位：MPa)

3.2.2 成橋后變形分析

表2為各方案成橋后10年變形。

表2 各方案成橋后10年變形

由表2可知：與原設計方案相比，方案1～3，在成橋10年后其豎向位移顯示出明顯減小的趨勢，與原設計方案相比較，該3種方案分別相對減小了6.13%、13.43%、18.11%，對于方案a來說，僅減小了3.61%，說明方案a處理效果較差。

一般情況下，成橋之前產生的豎向位移可以通過一定的施工方法進行消除，因此比較成橋后豎向位移和結構轉角意義重大。圖8、9為混凝土發生收縮和徐變導致的各方案的位移和轉角。

由圖8可知：采用方案1、2、3可以有效地減小成橋后的豎向位移。成橋10年后，相對于原設計，在跨中最大位移處采用上述方案能分別減小9.14%、19.19%和32.42%的位移，在成橋20年后，對應減小了12.04%、22.13%和34.42%。此外，對比方案a可知：其跨中豎向位移值基本與原設計一致，由此可得，當采用方案1、2、3時，能有效減小橋梁跨中位移，且方案3最有效。由圖9可知：采用方案1、2、3可以有效地減小成橋后的負彎矩區最大轉角。成橋10年后，相對于原設計，采用上述方案負彎矩區處的最大轉角分別減小10.64%、24.61%和35.48%，在成橋20年后，對應減小了13.34%、25.78%和38.57%。此外，對比方案a可知：其負彎矩區最大轉角與原設計最接近，而當采用方案1、2、3時，能有效減小橋梁橋梁負彎矩區最大轉角。

圖8 各方案成橋后豎向位移

圖9 各方案成橋后轉角RY

此外，分析成橋10年和20年后的豎向位移和轉角可知，變形和轉角在前10年已經基本完成，在后10年變化較小。

3.2.3 預應力分析

圖10、11分別為拆除臨時體外束對負彎矩區頂板束、跨中底板束的影響圖。

圖10 拆除臨時體外束對負彎矩區頂板束的影響

圖11 拆除臨時體外束對跨中底板束的影響

由圖10可知：對于方案a和方案1～3，拆除臨時體外束后負彎矩區底板束有效預應力增大，但增加值較小。對于彈性損失，在拆除臨時體外束頂前后變化較大，其中方案a，彈性損失增加了11.8 MPa，方案1～3彈性損失增加值依次為2.1、4.5和6.7 MPa，這與支點上緣的壓應力值減小有關。對于負彎矩區頂板收縮、徐變損失來說，在拆除前后變化不大。

由圖11可知：對于方案a和方案1～3，臨時體外束拆除后有效預應力減小，但減小量差別較小。對于收縮、徐變損失來說，臨時體外束拆除后預應力增大。

一般情況下，混凝土發生收縮、徐變時，預應力同時會發生損失，這可以通過表3、4的結果得以體現。

由表3、4可知：采用臨時體外束以后，無論是負彎矩區頂板束還是中跨底板后期束的預應力損失均呈現出增長的趨勢，但是增加量較小。其中，方案3的負彎矩區頂板束和中跨底板后期束的預應力損失最大，增長比分別為2.57%和8.73%，對于方案a來說，上述值對應為8.44%和1.28%。產生這一現象的原因是采用臨時體外束會導致跨中底板和支點頂板的壓力增加，與此同時對應的預應力損失和徐變也將增加，這也從側面說明了關鍵位置混凝土壓應力和預應力儲備能力得到提升。

4 結論

以紅巖溪特大橋工程為例，利用有限元軟件，分析了臨時體外束方案的可行性，研究了4種方案對梁體成橋后結構受力、變形及預應力損失的影響。主要結論如下：

表3 負彎矩區頂板束預應力損失

表4 中跨底板后期束預應力損失

(1) 方案1～3均會增大跨中下緣的壓應力，且方案3大于方案2，方案2大于方案1，當采用方案a時基本不產生影響。將方案3與原設計方案對比，可知在下緣位置初始和20年時間點，方案3壓應力分別大1.5和0.8 MPa，說明方案3可以有效增大橋梁跨中抗裂能力。

(2) 方案1～3在10年后其豎向位移顯示出明顯減小的趨勢，與原設計方案相比較，該3種方案分別相對減小了6.13%、13.43%、18.11%，對于方案a來說，對應減小了3.61%，說明方案a處理效果較差。

(3) 采用臨時體外束會導致跨中底板和支點頂板的壓力增加，與此同時對應的預應力損失和徐變也將增加，這使得關鍵位置混凝土壓應力和預應力儲備能力得以提升。其中，方案3的負彎矩區頂板束和中跨底板后期束的預應力損失最大，增長比分別為2.57%和8.73%，對于方案a來說，上述值對應為8.44%和1.28%。

(4) 采用臨時體外底板束可以有效減小橋梁跨中撓度，并提高抗裂能力。