大跨連續剛構橋預應力張拉順序影響分析*

何振東，丁 巍，謝 嵐

(1.中交一公局第八工程有限公司，天津 300170； 2.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙 410114； 3.長沙學院，湖南 長沙 410022)

0 引言

大跨徑預應力混凝土梁橋的預應力體系復雜，在施工過程中預應力往往需分批張拉，合理的張拉順序是影響結構性能的重要因素。通過對結構進行施工前的預先分析，能事先制定合理的預應力張拉順序，確保結構處于最優受力狀態。

本文以龍溪嘉陵江特大橋主橋上部結構為研究對象，通過有限元軟件計算懸澆過程及中跨合龍階段預應力不同張拉順序對結構受力的影響，所得結果可為以后類似工程提供參考。

1 工程概況

龍溪嘉陵江特大橋是重慶三環高速公路合川—長壽段的控制性工程，全長1 053m，主橋為(108+200+108)m的預應力混凝土連續剛構橋(見圖1)，主梁為單箱雙室，箱梁頂寬21.5m、底寬13.5m。主墩處梁高12.5m，跨中梁高4m(見圖2)，梁高按二次拋物線變化。主梁單個T構分為24對節段，0號塊采用托架法施工，邊跨現澆段采用落地鋼管型鋼支架施工，懸澆段采用掛籃施工。

圖1 龍溪嘉陵江特大橋主橋橋型布置(單位：cm)

圖2 跨中截面(單位：cm)

主梁預應力鋼絞線采用符合GB/T 5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》標準的高強度低松弛7股鋼絞線，公稱直徑15.2mm，抗拉強度標準值fpk=1 860MPa。預應力張拉時采取引伸量與張拉力雙控，預應力筋錨下控制張拉應力為1 395MPa。縱向預應力頂、底板鋼束采用φs15-17，φs15-22和φs15-27 3種規格，合龍束采用φs15-17，φs15-22 2種規格。

2 有限元模型建立

為了研究主梁懸臂施工階段及合龍階段不同預應力張拉順序對梁體受力性能的影響，利用MIDAS/Civil有限元軟件建立主橋施工階段模型。采用梁單元模擬，模型共282個結點、269個單元(見圖3)。通過單元、荷載及邊界條件的激活鈍化模擬不同施工階段工況，全橋約分為90個施工階段，限于篇幅，選取懸臂至1/4跨即15號節段位置(見圖4)及中跨合龍階段作為主要研究工況進行分析(見圖5)。

圖3 全橋計算模型

圖4 懸臂施工至15號節段

圖5 預應力筋模擬

3 張拉順序方案

3.1 懸臂施工階段預應力張拉順序方案

在15號節段張拉的鋼束共有6根，其中頂板束、腹板束各3根，對其進行編號，如圖6所示。

圖6 15號節段張拉鋼束位置

擬采用以下幾種張拉順序方案。

1)方案1 所有鋼束同時張拉。

2)方案2 先頂板束再腹板束，由外側向中間對稱張拉：1，3→2→4，6→5。

3)方案3 先腹板束再頂板束，由外側向中間對稱張拉：4，6→5→1，3→2。

4)方案4 先頂板束再腹板束，由中間向兩側對稱張拉：2→1，3→5→4，6。

5)方案5 先腹板束再頂板束，由中間向兩側對稱張拉：5→4，6→2→1，3。

6)方案6 由左向右依次張拉：1，4→2，5→3，6。

所有預應力張拉均為懸臂兩端一次性對稱張拉。

3.2 中跨合龍階段預應力張拉順序方案

中跨合龍鋼束共有48根，其中頂板束4根、底板束40根，備用束4根，對其進行編號，如圖7所示。

圖7 中跨合龍鋼束位置(單位：cm)

擬采用以下幾種張拉順序方案。

1)方案1 所有鋼束同時張拉。

2)方案2 先底板束后頂板束，先長束再短束，由中間向兩側對稱張拉：MB10′→MB10→MB9′→MB9→…→MB1(中)→MB1(邊)→MT1(中)→MT1(邊)。

3)方案3 先底板束后頂板束，先短束再長束，由中間向兩側對稱張拉：MB1(中)→MB1(邊) →MB2(中)→MB2(邊)→…→MB10′→MB10→MT1(中)→MT1(邊)。

合龍束單根預應力張拉方法同懸臂工況。考慮到頂板束僅4根，數量很少且較短，最后張拉頂部合龍束。通過結構試算，同一排鋼束從兩側向中間和從中間向兩側對稱張拉的結果基本相同，僅以前者結果進行分析。

4 計算結果對比分析

4.1 懸澆階段計算結果

由于懸澆階段鋼束數量較少，橋梁結構對稱，為了反映不同張拉順序對主體結構受力的影響，只需對1個T構單側節點進行分析。

不同張拉順序中除了方案1為一次張拉到位，方案6張拉3次，其余張拉方案均需張拉4次。限于篇幅，提取懸臂端5個單元應力，之后每隔1個節段選取1個單元直至懸臂根部，計算結果如表1和圖8所示。

圖8 第1次張拉主梁應力

表1 第1次張拉主梁應力 MPa

由計算結果可看出，懸澆階段不同預應力張拉方案懸臂前端影響較大，越往懸臂根部影響越小，這是由于之前節段預應力已張拉，梁已產生較大應力，前端的預應力影響相對減弱。另外，對主梁第1次張拉后，方案2，4前端下緣出現拉應力，最大達0.13MPa，其余方案主梁均處于受壓狀態，結構受力更合理。限于篇幅，第2～4次張拉后主梁應力狀態如圖9～11所示。

圖9 第2次張拉主梁應力

圖10 第3次張拉主梁應力

圖11 第4次張拉主梁應力

由于現場施工場地及張拉設備的限制，很難做到預應力全部同時張拉到位，其計算結果僅用于對比分析。從張拉過程可看出，方案2，4在頂板束張拉完成時，主梁下緣拉應力繼續增加，最大達0.23MPa。不同張拉順序仍然呈現出前端影響較大，曲線波動較大，根部單元影響較弱曲線逐漸平直。但當所有鋼束全部張拉到位后，應力曲線均接近為平直線，不同張拉順序對結構整體應力影響很小，且所有張拉方案主梁均處于受壓狀態。

預應力全部張拉完成后懸臂端的位移值直接影響下個節段立模標高的確定，不同張拉順序下，位移變化如圖12所示，其中方案1為一次張拉到位，曲線為平直線。由結果可看出，隨著張拉鋼束的增加，方案2～5懸臂端部逐漸上升，最終位移數值與一次張拉到位基本相同，都接近2.5mm，說明不同張拉順序對結構撓度的影響較小。

圖12 懸臂端位移值

4.2 中跨合龍階段計算結果

中跨合龍鋼束數量涉及的張拉次數及關聯單元均較多，由于結構對稱，僅對合龍口一側節點進行研究。每隔1個節段選取一中跨合龍鋼束關聯節段進行結果分析，計算結果如圖13，14所示。

圖13 方案2主梁張拉過程應力

圖14 方案3主梁張拉過程應力

由計算結果可看出，隨著鋼束張拉次數的增加，主梁上緣應力整體呈現平緩增加趨勢。主梁下緣應力受張拉過程影響較大：若先張拉長束，研究單元應力逐漸增加，當張拉到該單元位置鋼束時，應力值會突變減小，之后應力值隨著鋼束的張拉繼續緩慢減小并趨于平緩；相反，若先張拉短束，研究單元應力先減小，在張拉至該單元位置鋼束時，應力值突變增加，之后應力值隨著鋼束的張拉繼續緩慢增加并趨于平緩。3個方案主梁最終應力如表2所示。

表2 不同張拉方案下主梁最終應力 MPa

方案1計算結果同樣僅用于對比分析，由計算結果可看出，不同張拉方案下主梁最終應力值整體相差較小，僅在接近跨中位置若先張拉長束比一次性張拉主梁下緣減小約2.1MPa壓應力。且整個張拉過程中未出現拉應力，主梁始終處于受壓狀態。

中跨合龍后主梁線形結果將影響后期主橋調平層施工及主橋施工質量驗收，不同張拉順序下位移變化如圖15所示。由結果可看出，主梁采用分批張拉比一次性全部張拉到位的撓度小，并且越往跨中節點撓度差距越大，其中先張拉短束跨中撓度減小約3mm，這是由于主橋跨中受合龍束影響較大，且跨中截面剛度較小造成。

圖15 不同張拉方案下主梁位移值

5 結語

本文通過對龍溪嘉陵江特大橋主橋懸澆階段及中跨合龍節段的預應力在不同張拉順序下的受力計算分析得到以下結論。

1)為了減小主梁懸澆階段產生拉應力的可能性，連續剛構直橋在懸澆階段應先對稱張拉腹板束再對稱張拉頂板束。

2)中跨合龍鋼束數量較多，張拉持續時間較長，分析結果表明，無論采用先張拉長束還是先張拉短束，主梁始終處于受壓狀態，且最終應力基本相同。但每個張拉斷面橫向應保證對稱張拉，減少局部產生的拉應力。

3)通過中跨合龍束張拉順序對主梁線形影響分析，先張拉短束影響相對較明顯，實際施工時若合龍口標高相對于設計值偏低，可優先考慮以先張拉短束再張拉長束的方式進行調整。

本工程實際施工時，懸臂階段采用先對稱張拉腹板束再對稱張拉頂板束；中跨合龍時采用先底板束后頂板束、先長束再短束的順序張拉。通過施工過程中的監控，懸澆階段主梁前端張拉前后位移量約為2mm，懸臂根部應力始終處于受壓狀態，最小壓應力約6.3MPa，安全儲備較大。后續類似工程可以本工程作為參考進行施工。