簡支變連續梁橋預應力張拉橫向施工順序

王 濤

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011)

隨著國家交通運輸水平的不斷提升,公路橋梁面臨著結構安全性高、施工污染小、工期時間短、橋面平整性好等更高質量的要求。傳統的簡支梁橋有著結構形式簡單、施工便捷的特點,但節段間的伸縮縫會影響橋面的整體平整性,進而導致行車舒適性的下降[1,2]。在簡支梁橋中采用連續橋面可以提升平整性,但無法避免負彎矩區混凝土受拉開裂問題[3]。近年來,隨著預應力技術的發展,簡支變連續梁橋結構形式在橋梁領域中得到了越來越多的應用。簡支變連續梁橋的主梁在工廠內預制,然后在現場進行架梁、濕接縫澆筑、負彎矩區預應力張拉和臨時支座拆除等工藝,最終完成橋梁結構體系由簡支形式朝連續梁形式的轉變[4,5]。簡支變連續梁橋兼顧了簡支梁橋施工簡單和現澆梁橋整體性能好的優點,工廠預制主梁減少了現場施工工作量并大大縮減工期,負彎矩區的預應力張拉可以有效抑制頂面混凝土的受拉開裂。

研究依托G237(S203淮六路)五里郢至青龍山段改建工程,三岔河橋為既有橋梁拆除后改建,采用的是簡支變連續結構體系。簡支變連續橋梁結構施工過程中,負彎矩區預應力張拉會引起橋梁結構受力體系的轉換,引起結構的內力重分布,不同的預應力張拉施工順序,會使結構產生不同的變形和內力[6,7]。已有簡支變連續梁橋的預應力張拉施工順序研究,大多針對橋梁縱向的預應力張拉順序研究[8,9]。三岔河橋共有三跨,每跨橫向共9片小箱梁,預應力張拉的橫向施工順序對橋梁結構的變形和內力影響較大。因此,利用有限元軟件對三岔河橋梁結構進行有限元精確建模,對每跨9片箱梁及濕接縫定義不同施工階段、預應力分組,研究不同的預應力張拉的橫向施工順序對結構變形、受力性能的影響,找到對工程有指導意義的施工順序。

1 數值模型建立

1.1 結構參數

三岔河橋為既有橋梁拆除后改建,橋梁中心樁號為K3+004,交叉角度為60°。所建橋梁上部結構采用先簡支后連續預制預應力混凝土箱梁,下部結構采用柱式橋墩,樁基礎。橋梁橫向截面圖,橋面為雙面橫坡,橋梁每跨橫向共9片小箱梁,梁高1.8 m,共計27片。箱梁內的縱向預應力筋有頂板束、腹板束和底板束三類,采用的配筋形式有5φs15.2 mm、4φs15.2 mm和3φs15.2 mm三種截面尺寸規格,其中頂板束共7個孔道,腹板束和底板束共10個孔道。下部結構采用柱式墩臺,全橋樁基礎均為1.6 m,共計20根,橋墩直徑1.5 m。采用矩形混凝土蓋梁,蓋梁高度1.5 m,寬度1.8 m。

數值建模相關參數:(1)混凝土:預制箱梁、橫隔梁和濕接縫的混凝土型號均為C50;(2)普通鋼筋:HPB300鋼筋的直徑有8 mm和10 mm兩種截面尺寸規格,HRB400鋼筋的直徑有12、16、20、22、25、28 mm六種截面尺寸規格;(3)預應力筋:低松弛高強度鋼絞線,抗拉強度標準值為fpk=1 860 MPa,公稱直徑為d=15.2 mm。

1.2 空間梁單元

di=[μi,vi,wi,θxi,θyi,θzi]T

(1)

Fi=[Ni,Qyi,Qzi,Mxi,Myi,Mzi]T

(2)

式中:下標i和j為梁單元的左右節點號;上標T為對向量采取轉置操作;μi,vi,wi分別為空間坐標系x、y和z方向的平動位移;θxi,θyi,θzi分別為空間坐標系x、y和z軸的轉角位移;Ni對應坐標系x方向的軸向力;Qyi,Qzi分別為空間坐標系y和z方向的切向力;Mxi,Myi,Mzi分別為空間坐標系x、y和z軸的彎矩。采用三次項的位移產值函數構造節點位移向量,長高比較大故忽略剪切變形,對梁單元剛度矩陣進行整合、坐標轉化操作,即可得到整體空間梁剛度矩陣用于簡支變連續梁橋結構的有限元分析。

1.3 有限元模型

利用有限元軟件進行連續梁橋模型建模以及簡支變連續施工階段的定義,這里主要進行橋梁上部結構實體梁模型建立,將橋墩、蓋梁當成箱梁下部的一般支承,一般支承上設置彈性連接以模擬支座,將支座與箱梁上節點剛性連接以對上部結構施加約束。圖1是橋梁結構模型圖,由圖1可知該連續梁橋共有三跨,每跨橫向架設9片箱梁。橋梁上部結構采用空間梁單元建模,整個模型包含箱梁、預應力鋼束、一般支承、彈性連接和剛性連接,共1 540個節點,1 502個單元。依據實際施工過程主要定義4個施工階段:(1)現場架梁,對應箱梁的廠內預制、正彎矩預應力張拉、現場架設階段;(2)濕接縫澆筑,對應現場不同跨箱梁之間的濕接縫澆筑、橫隔梁澆筑階段;(3)預應力張拉,對應現場箱梁頂板處負彎矩區的預應力張拉;(4)支座轉換,對應現場的臨時支座拆除,永久支座投入使用。

圖1 橋梁結構模型圖

2 數值模擬分析

2.1 不同施工階段橋梁內力分析

濕接縫澆筑與負彎矩預應力張拉是簡支變連續梁橋施工的關鍵步驟,不同施工方式、施工順序對應著結構不同的內力、變形情形。為保證在簡支變連續體系轉換過程中橋梁結構應力、撓度變化均勻,避免結構濕接縫連接處等關鍵位置發生開裂,需要制定合理的濕接縫澆筑與負彎矩預應力張拉順序。現場簡支變連續梁橋上部結構的濕接縫澆筑,通常采用箱梁橫向連接、端部連接一次性澆筑的方式;負彎矩預應力張拉,通常是等濕接縫混凝土強度達到一定強度后,分批次張拉。所有負彎矩預應力一次性張拉完成,是最理想的預應力張拉工況。理想預應力張拉工況可以在仿真軟件中進行模擬,作為后續不同預應力張拉工況的比對模板。在數值分析過程中定義現場架梁、濕接縫澆筑、預應力張拉、支座轉換共四個施工階段,圖2給出了四個施工階段的橋梁彎矩分布圖。

圖2 不同施工階段橋梁結構彎矩圖(單位:kN·m)

對不同施工階段橋梁內力分布結果進行分析,探討簡支變連續梁橋結構體系轉換不同階段的內力分析情形。現場架梁階段,各個混凝土小箱梁均在工廠內預制,正彎矩預應力張拉在混凝土強度達到90%時進行,預緊力會引起箱梁上拱產生負彎矩;小箱梁架設在現場臨時支座的上面,結構形式為簡支梁,內力依舊呈現總體負彎矩的情形,且由于約束情形不同,邊跨內力要比中間跨內力大。濕接縫澆筑階段,進行箱梁縱向、橫向濕接縫、橫隔梁連接,橋梁上部結構逐漸形成整體;此時結構依舊位于臨時支座上面,結構形式為簡支形式。預應力張拉階段,進行不同跨小箱梁端部的負彎矩預應力張拉,在支座位置處產生較大正彎矩,箱梁頂部混凝土承受壓應力。支座轉換階段,進行臨時支座的拆除,激活永久支座,橋梁結構完成了由簡支梁體系到連續梁體系的結構體系轉換;每跨主梁均在中間位置產生負彎矩,兩端位置產生正彎矩,以抵抗后續橋面二期荷載以及運營車輛荷載。

2.2 不同預應力張拉工況

考慮到現場簡支變連續梁橋上部結構箱梁濕接縫通常采用一次性澆筑的方式,負彎矩預應力張拉待混凝土強度達到一定強度后采用分批次張拉的方式。三岔河三跨梁橋每跨9片小箱梁,橫向長度較長,由于上部結構橫向已經連接成整體,不同負彎矩預應力張拉次序必然會對橫橋向的其他箱梁的應力、變形造成一定影響。采用合理的預應力張拉順序,能夠有效減小施工成本、縮短施工工期、提高結構強度。有必要進行負彎矩預應力張拉順序研究分析,探討不同張拉工況下橋梁結構關鍵部位的內力、變形情況。研究的簡支變連續梁橋共有三跨,在中間兩個橋墩處有兩個縱向端部濕接縫,每個濕接縫對應9片小箱梁。這里主要研究預應力張拉橫橋向施工順序,所以取一個中間橋墩上的9片小箱梁端部預應力張拉進行研究,另一個中間橋墩上的端部預應力張拉與該橋墩張拉順序一致。對橫橋向的小箱梁頂板端部預應力鋼束編號,該編號也對應不同的支座位置,以方便定義不同的預應力張拉施工工況。共定義三個預應力張拉橫橋向施工工況:順序張拉、間隔張拉和對稱張拉,每個工況均按步驟順序施工。

(1)順序張拉:步驟一,張拉1#、2#、3#端部負彎矩預應力;步驟二,張拉4#、5#、6#端部負彎矩應力;步驟三,張拉7#、8#、9#端部負彎矩預應力。

(2)間隔張拉:步驟一,張拉1#、2#、5#、8#、9#端部負彎矩預應力;步驟二,張拉3#、4#、6#、7#端部負彎矩預應力。

(3)對稱張拉:步驟一,張拉1#、2#、8#、9#端部負彎矩預應力;步驟二,張拉3#、4#、6#、7#端部負彎矩預應力;步驟三,張拉5#端部負彎矩預應力。

不同預應力張拉橫橋向施工工況會引起不同的端部梁頂板、底板應力,表1～表3給出了不同工況、不同步驟情形下,不同端部位置處梁頂板、底板的應力數值。由表中數值可知,當濕接縫混凝土選擇一次性澆筑時,不同預應力張拉順序工況下,各片梁端部頂板、底板處最終的主應力數值區別較小,均能夠保證較好的應力儲備以抵抗后續二期荷載和運營車輛荷載作用。觀察各個工況情形下,不同步驟中不同位置的頂板、底板應力數值,可以發現在某片梁端部進行負彎矩預應力張拉是會影響周邊梁的內力分布。此外,從各片梁端部內力數值的連續性角度出發,即保證相鄰箱梁端部內力數值較為接近,工況三的表現最好。所以,在濕接縫混凝土選擇一次性澆筑的情況下,推薦采用對稱張拉的橫橋向施工順序,可以保證較好的橫向梁端內力連續性。

表1 工況一情形下支座端部處主梁應力數值

表2 工況二情形下支座端部處主梁應力數值

表3 工況三情形下支座端部處主梁應力數值

3 結 論

為研究簡支變連續梁橋預應力橫向張拉順序對結構體系轉換時內力、變形的影響,依托工程實際進行一個三跨(每跨9片小箱梁)簡支變連續梁橋的有限元建模,依據不同的預應力張拉工況定義不同施工階段,對不同工況的結構內力、變形計算結果進行分析,具體得到以下結論。

(1)簡支變連續梁橋經過濕接縫連接、負彎矩張拉和支座轉換步驟,完成結構體系由簡支梁到連續梁的結構形式轉換,在跨中產生負彎矩并在端部產生正彎矩以抵抗后續運營荷載作用。

(2)從最終成橋時的支座處主梁內力數值角度來看,不同預應力橫向張拉施工順序對內力大小影響不大,均能為簡支變連續梁橋提供較好的應力儲備。

(3)為保證每跨各片箱梁端部內力的橫向連續性,在濕接縫混凝土選擇一次性澆筑的情況下,推薦采用對稱張拉的橫橋向施工順序。