預應力體系對簡支變結構連續梁橋力學性能影響分析

張 花

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

簡支變結構連續梁橋由于其具有施工簡便、受力性能良好、行車舒適性較高等優點而被廣泛應用于高速公路工程中[1-3]，但現役簡支變結構連續梁橋在運營階段出現了諸如主梁梁底開裂[4]、主梁下撓、負彎矩區段混凝土開裂等病害，這些病害的出現往往都是由于施工偏差所造成的。針對簡支變結構連續梁橋，國內外學者做了大量的研究工作，Hyo-Gyoung Kwak[5]分析了如何控制簡支變結構連續梁橋由混凝土收縮導致支座處混凝土開裂的問題；陳立良[6]等人以巴漏河大橋為依托工程，研究了簡支變結構連續梁橋在施工中容易遇到的問題并且給出相應的解決措施與對策。周建庭[7]針對簡支變連續梁橋負彎矩區段容易出現裂縫，從而影響橋梁的整體受力性能的問題，提出相應的負彎矩構造改進措施。

1 工程概況

1.1 主要設計標準

（1）橋梁結構形式：4×30 m預應力混凝土T形梁橋（先簡支后結構連續）；（2）設計荷載：公路一級；（3）橋梁半寬：0.5 m（混凝土護欄）+11.5 m（橋面寬度）+0.5 m（混凝土護欄）；（4）車道數：雙向四車道；（5）設計洪水頻率：1/100；（6）設計車速：80 km/h;（7）地震動峰值加速度系數：0.05 g。

1.2 橋梁相關參數

橋梁主要受力結構為縱向5片主梁，通過橫隔板實現主梁的橫向共同受力，主梁截面見圖1，橋梁預應力張拉參數見表1，橋梁可變荷載見表2，橋梁永久荷載見表3。

圖1 主梁截面

表1 預應力鋼束建模參數

表2 可變荷載

表3 永久荷載

1.3 橋梁施工階段的劃分

全橋嚴格按照先簡支后結構連續的方式施工。施工階段：階段一：橋梁下部結構施工；階段二：臨時支座的安裝；階段三：主梁吊裝就位；階段四：橋梁橫隔板澆筑；階段五：連續端濕接縫的澆筑；階段六：更換臨時支座為永久支座，完成結構體系的轉換；階段七：橋面二期鋪裝。

2 有限元模型的建立

2.1 分析參數的確定

主要考慮簡支變結構連續區段預應力體系偏差對于橋梁結構響應的影響，預應力體系主要包括張拉控制力、管道偏差系數、局部偏差系數，各系數設計值見表4，取各參數偏小值為參數一，取各參數偏大值為參數二，各參數見表5。

表4 預應力體系參數設計值

表5 預應力體系敏感性分析參數值

2.2 建模結果

Midas Civil全橋有限元模型見圖2。

圖2 全橋有限元模型

3 計算結果對比分析

3.1 計算結果

計算各變量Midas Civil有限元模型得出其成橋位移、成橋梁頂應力、成橋梁底應力。由于計算結果顯示正彎矩張拉控制力對于橋梁成橋狀態結構響應影響較大，僅展示設計狀態、1 116 MPa張拉控制力的位移云圖、應力云圖，計算結果見圖3～圖8。

圖3 設計狀態成橋位移

圖4 1 116 MPa張拉控制力成橋位移

圖5 設計狀態梁頂應力

圖6 1 116 MPa張拉控制力成橋位移

圖7 設計狀態梁底應力

圖8 1 116 MPa張拉控制力成橋位移

由圖3可知，設計狀態成橋位移邊跨最大位移值為22.356 mm，中跨最大位移值為18.104 mm，邊跨最大位移值為中跨的123.48%。由圖4可知，在1 116 MPa張拉控制力作用下邊梁最大位移值為8.439 mm，中梁最大位移值為7.636 MPa，邊梁最大位移值為中梁的110.5%。簡支變結構連續梁橋在各種狀態下均呈現邊跨位移值大于中跨位移值的趨勢，這是由于相對于中跨，邊跨所受到的約束作用較小，因此預應力張拉后其上拱值更大。由圖3～圖4可知，無論是邊跨還是中跨均有邊梁位移值大于中梁位移值的現象，邊跨大于中跨的原因是由于中間跨主梁受到兩側橫隔板約束而邊梁僅僅受到一側橫隔板約束，所以邊梁的上拱值更大。由圖5可知，設計狀態下梁頂應力最大壓應力值為29.15 MPa、最大拉應力值為-1.29 MPa。由圖6可知，1 116 MPa張拉控制力作用下最大壓應力值為29.436 MPa，最大拉應力值為-1.3 MPa。由圖7可知，設計狀態下梁頂應力最大壓應力值為9.53 MPa、最大拉應力值為-0.3 MPa。由圖8可知，1 116 MPa張拉控制力作用下最大壓應力值為9.58 MPa，最大拉應力值為-0.319 MPa。

3.2 對比分析

提取張拉控制力、管道摩擦系數、局部偏差系數各變化參數中跨中梁計算結果與設計值模型差值見圖9～圖13。

由圖9可以看出，當預應力張拉控制力偏大時主梁撓度相對設計值較大，當預應力張拉控制力偏小時，主梁撓度相對設計值偏小，當張拉控制力出現偏差時，主梁撓度變化值呈現邊跨大中跨小的特點，變化撓度變化最值達到14 mm，中跨撓度變化值達到9 mm。由圖10可以看出，當預應力張拉控制力偏小時，簡支變結構連續梁橋跨中截面梁頂應力相對設計值偏小，梁端連續端截面梁頂應力相對于設計值偏大，當預應力張拉控制力偏大時，簡支變結構連續梁橋跨中截面梁頂應力相對設計值偏大，梁端連續端截面梁頂應力相對于設計值偏小。由圖11可以看出，預應力張拉控制力的偏差對于梁端幾乎無影響，但是對于跨中截面來講，當預應力張拉控制力偏小時，梁頂截面應力值偏大，當預應力張拉控制力偏大時，梁頂截面應力值偏小。由于管道摩擦系數與局部偏差系數對于主梁應力的影響均可忽略不計，故本文只列出管道摩擦系數對于撓度的影響以及局部偏差系數對于撓度的影響。由圖12可知，管道摩擦系數對于梁端撓度幾乎沒有影響，對于跨中截面來說，當管道摩擦系數偏小時，撓度值相較于設計值偏大，當管道摩擦系數偏大時，主梁撓度值相對于設計值偏小，并且當管道摩擦系數出現偏差時，邊跨與中跨撓度變化值為0.055 mm。由圖13可知，當局部偏差系數偏小時，對于主梁梁端撓度幾乎沒有影響，對于跨中截面，主梁撓度變大且變化值達到0.09 mm，當局部偏差系數偏大時，主梁撓度相較于設計值幾乎無變化。分析可以發現預應力張拉控制力對于主梁撓度、主梁應力影響遠遠大于管道摩擦系數以及局部偏差系數。本質上，這兩項參數實際上是通過影響有效預應力大小決定簡支變結構連續梁橋結構響應。

圖9 預應力張拉控制力對位移影響

圖10 預應力張拉控制力對梁頂應力影響

圖11 預應力張拉控制力對梁底應力影響

圖12 管道摩擦系數對撓度影響

圖13 局部偏差系數對撓度影響

4 結語

（1）簡支變結構連續梁橋在預應力荷載作用下主梁撓度呈現明顯的“邊跨大于中跨，邊梁大于中梁”的趨勢，設計狀態下邊跨最大位移值為中跨的123.48%，邊梁最大位移值為中梁的110.5%。（2）當預應力體系參數在實際施工時發生相對于設計值的偏差時，預應力張拉控制力對于主梁撓度、梁頂應力、梁底應力的影響最大，對于撓度的影響最大可以達到14 mm，對于應力的影響最大可以達到7 MPa。（3）管道摩擦系數、局部偏差系數對于主梁應力的影響不大，對于主梁撓度的影響性也不如預應力張拉控制力，并且這兩項參數本質上是通過影響有效預應力的大小影響橋梁結構響應。