縱向預(yù)應(yīng)力對連續(xù)箱梁橋中跨跨中變形的影響分析

劉 凱

(創(chuàng)輝達(dá)設(shè)計股份有限公司 長沙市 410000)

近年來，預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋在我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)展迅速，越來越多的橋梁設(shè)計師在跨江、跨河和跨線的橋梁中選用此橋型。隨著連續(xù)梁橋的竣工運(yùn)營，大部分橋梁出現(xiàn)了中跨跨中變形量下降幅度過大的病害現(xiàn)象，直接影響著橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

本文針對運(yùn)營階段預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋中跨跨中變形下降幅度過大的問題，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者已取得的研究成果[1-2]，從縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計上探討連續(xù)梁橋運(yùn)營階段中跨跨中變形隨縱向預(yù)應(yīng)力鋼束位置、張拉控制應(yīng)力、張拉方式和鋼束松弛類型變化的規(guī)律。

1 工程概況

某懸澆施工的公路大橋上部結(jié)構(gòu)為55m+90m+55m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主梁采用C50混凝土，單箱雙室，橋?qū)?8.5m，梁底線型按1.8次拋物線變化，墩頂梁高5.5m，跨中及兩端梁高2.5m，下部結(jié)構(gòu)橋臺為肋板臺，橋墩為實(shí)體墩，墩臺基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)。主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束為3Φs15.2mm普通鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力鋼束為3Φs15.2mm低松弛鋼絞線，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束包括腹板束(13Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、懸澆頂板束(13Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、中跨底板束(15Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、中跨頂板束(15Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、邊跨底板束(13Φs15.2mm低松弛鋼絞線)和邊跨頂板束(19Φs15.2mm低松弛鋼絞線)。

2 分析方案

基于梁橋結(jié)構(gòu)計算滿足要求的前提，在地質(zhì)條件、梁橋構(gòu)造、合龍順序和荷載作用相同的條件下，從以下幾個方面分析運(yùn)營階段中跨跨中變形(撓度正值代表向上變形)的變化規(guī)律：

(1)縱向鋼束位置方案：腹板束、懸澆頂板束、中跨底板束、中跨頂板束、邊跨底板束和邊跨頂板束。

(2)張拉控制應(yīng)力方案見表1。

表1 張拉控制應(yīng)力方案表

(3)張拉方式方案：一次張拉和超張拉。

(4)鋼束松弛類型方案：普通松弛和低松弛。

3 分析模型

采用midas Civil軟件建立55m+90m+55m連續(xù)梁橋的整體模型，全橋共有111個節(jié)點(diǎn)，76個單元，邊界條件用彈性連接模擬，按設(shè)計條件施加荷載和邊界條件后，設(shè)定50個施工階段，見圖1。

圖1 分析模型

4 計算結(jié)果與分析

4.1 縱向鋼束位置的影響

當(dāng)其它條件相同時，分別選擇不同位置的縱向鋼束，改變其張拉控制應(yīng)力變化幅度，運(yùn)行分析模型，得到相應(yīng)梁橋運(yùn)營10年后的中跨跨中變形量變化圖(圖2)。

圖2 中跨跨中變形量隨張拉控制應(yīng)力變化幅度的變化(運(yùn)營10年后)

由圖2可知，鋼束的張拉控制應(yīng)力是中跨跨中變形的敏感性因素，中跨跨中變形量隨邊跨底板束和中跨頂板束的張拉控制應(yīng)力反方向變化，隨腹板束、邊跨頂板束、懸澆頂板束和中跨底板束的張拉控制應(yīng)力正方向變化，且中跨跨中變形量對中跨底板束的張拉控制應(yīng)力最敏感，敏感度系數(shù)為6.97。當(dāng)運(yùn)營期中跨跨中變形量下降幅度過大時，在結(jié)構(gòu)驗算安全的前提下，可通過二次張拉中跨底板的預(yù)應(yīng)力鋼束或張拉中跨底板上增設(shè)的體外束，提高中跨底板的預(yù)壓應(yīng)力，減小中跨跨中變形量的下降值。

4.2 張拉控制應(yīng)力的影響

據(jù)圖2的結(jié)論，中跨跨中變形量對中跨底板束的張拉控制應(yīng)力最敏感，當(dāng)其它條件相同時，改變中跨底板束的張拉控制應(yīng)力，運(yùn)行分析模型，得到不同運(yùn)營時間梁橋中跨跨中的變形量變化圖(圖3)。

圖3 不同運(yùn)營時間的梁橋中跨跨中變形量隨張拉控制應(yīng)力的變化

由圖3可知，不同運(yùn)營時間的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應(yīng)力增加而增大，變化曲線基本平行，當(dāng)中跨底板束的張拉控制應(yīng)力從1339.2MPa增加到1413.5MPa時，運(yùn)營10年后，梁橋中跨跨中的變形量從14.865mm增大到17.848mm，提升了20%，提升幅度較大，在保證鋼束滿足斷絲和滑移限制的前提下，可適當(dāng)增大中跨底板束的張拉控制應(yīng)力，提高跨中的正變形量。當(dāng)中跨底板束的張拉控制應(yīng)力一定時，中跨跨中的變形量均隨運(yùn)營時間增加而降低，其中橋梁運(yùn)營前30年的中跨跨中變形量下降速率最快，約0.074mm/a，運(yùn)營50年后，中跨跨中變形量下降速率逐漸變緩，可近似已基本穩(wěn)定，這與混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失隨時間變化規(guī)律基本一致。當(dāng)新建連續(xù)梁橋時，可在中跨底板上預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼束，運(yùn)營期前30年內(nèi)，在結(jié)構(gòu)驗算安全的前提下，逐根張拉中跨底板的預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼束，維持橋梁原設(shè)計的立面線形，保證橋面行車的舒適度。

4.3 張拉方式的影響

當(dāng)其它條件相同時，改變中跨底板束的張拉方式，運(yùn)行分析模型，得到相應(yīng)梁橋運(yùn)營10年后中跨跨中的變形量變化圖(圖4)。

圖4 中跨底板束張拉方式不同時中跨跨中變形量隨張拉控制應(yīng)力的變化(運(yùn)營10年后)

由圖4可知，中跨底板束張拉方式不同的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應(yīng)力增加而增大，變化曲線基本平行，當(dāng)張拉控制應(yīng)力同為1376.4MPa時，運(yùn)營10年后，鋼束超張拉的梁橋中跨跨中變形量為16.451mm，鋼束一次張拉的梁橋中跨跨中變形量為16.363mm，提升了0.54%，提升幅度較小，在保證鋼束滿足斷絲和滑移限制的前提下，中跨底板可選擇適用鋼束超張拉的錨具，對中跨底板束進(jìn)行超張拉，提高橋梁運(yùn)營期間中跨跨中的正變形量，最大效率地利用中跨底板鋼束的預(yù)應(yīng)力。

4.4 鋼束松弛類型的影響

當(dāng)其它條件相同時，改變中跨底板束的松弛類型，運(yùn)行分析模型，得到相應(yīng)梁橋運(yùn)營10年后中跨跨中的變形量變化圖(圖5)。

圖5 中跨底板束松弛類型不同時中跨跨中變形量隨張拉控制應(yīng)力的變化(運(yùn)營10年后)

由圖5可知，中跨底板束松弛類型不同的梁橋中跨跨中變形量均隨張拉控制應(yīng)力增加而增大，采用低松弛鋼束的變化曲線斜率比采用普通鋼束的變化曲線斜率大，當(dāng)考慮提高橋梁運(yùn)營期間中跨跨中的正變形量時，通過增加中跨底板低松弛鋼束張拉控制應(yīng)力的方法比通過增加中跨底板普通鋼束張拉控制應(yīng)力的方法更有效，當(dāng)中跨底板束的張拉控制應(yīng)力同為1376.4MPa時，運(yùn)營10年后，低松弛鋼束的梁橋中跨跨中變形量為16.363mm，普通鋼束的梁橋中跨跨中變形量為14.309mm，在張拉控制應(yīng)力一定的前提下，中跨底板應(yīng)選擇低松弛的預(yù)應(yīng)力鋼束，減少預(yù)應(yīng)力鋼束松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失，提高橋梁運(yùn)營期間中跨跨中的正變形量，最大效率地利用中跨底板鋼束的預(yù)應(yīng)力。

5 結(jié)論

針對運(yùn)營階段中的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，在不同縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計方案中進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，通過將不同方案中計算的中跨跨中變形量進(jìn)行對比分析，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)鋼束的張拉控制應(yīng)力是中跨跨中變形量的敏感性因素，中跨跨中變形量隨邊跨底板束和中跨頂板束的張拉控制應(yīng)力反方向變化，隨腹板束、邊跨頂板束、懸澆頂板束和中跨底板束的張拉控制應(yīng)力正方向變化，且中跨跨中變形量對中跨底板束的張拉控制應(yīng)力最敏感。

(2)不同運(yùn)營時間的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應(yīng)力增加而增大，變化曲線基本平行，當(dāng)中跨底板束的張拉控制應(yīng)力一定時，中跨跨中的變形量均隨運(yùn)營時間增加而降低，其中橋梁運(yùn)營前30年的中跨跨中變形量下降速率最快，運(yùn)營50年后，中跨跨中變形量下降速率逐漸變緩。

(3)中跨底板束張拉方式不同的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應(yīng)力增加而增大，變化曲線基本平行，當(dāng)中跨底板束的張拉控制應(yīng)力一定時，鋼束超張拉的梁橋中跨跨中變形量比鋼束一次張拉的梁橋中跨跨中變形量微大一些，提升幅度較小。

(4)中跨底板束松弛類型不同的梁橋中跨跨中變形量均隨張拉控制應(yīng)力增加而增大，當(dāng)考慮提高橋梁運(yùn)營期間中跨跨中的正變形量時，通過增加中跨底板低松弛鋼束的張拉控制應(yīng)力的方法比通過增加中跨底板普通鋼束的張拉控制應(yīng)力的方法更有效。