渡槽橋薄壁墩預應力筋偏位細部分析

黃凱楠

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在預應力混凝土結構中,通常先澆筑混凝土,后通過預留預應力孔道的方法對預應力筋進行張拉。部分大體積結構如橋梁的薄壁高墩、曲線梁等[1],空間受力較復雜,預應力筋通常會出現定位偏差的不良工程現象[2]。此外,預應力的偏位還將導致有效預應力不足、結構開裂等病害[3],并在使用過程中進一步加劇其不利影響。

本文以某渡槽為例,利用三維有限元計算軟件分析預應力偏位導致的整個施工階段及運營階段的最不利影響[4],并探討此類結構的施工優化設計處理方法[5],為以后同類型施工現象提供有益參考。

1 工程概況

某渡槽位于廣西境內,跨越紅水河。主槽上部結構為預應力混凝土變截面箱梁,槽墩及基礎均為鋼筋混凝土結構,其中2#墩為雙肢實心墩,樁基采用4根φ2 m圓形孔樁,承臺為矩形鋼筋混凝土;1#、4#墩為薄壁空心墩,樁基采用4根φ2 m圓形孔樁,承臺為矩形鋼筋混凝土;5#槽墩樁基采用2根φ1.5 m圓形孔樁;6#槽墩為重力墩,樁基采用2根φ1.5 m圓形孔樁,承臺為矩形鋼筋混凝土;7#槽臺為重力式槽臺,采用擴大基礎。渡槽主槽上部箱梁采用掛籃分段澆筑,懸臂對稱施工;渡槽兩端引槽段的簡支式預應力混凝土箱梁渡槽采用現澆施工方法。1#～4#槽墩均采用翻模法施工,其他槽墩采用支架法施工。

2 槽墩預應力筋偏位檢測情況

渡槽2#槽墩設計為雙肢實心薄壁槽墩,墩高16.5 m,單肢槽墩內設計有雙排預應力鋼束(每排8束共16束),鋼束單根長26.26 m,承臺內預埋2.5 m,墩身內預埋16.5 m,0#塊內預埋6.66 m,布置圖見圖1。

圖1 2#槽墩順、橫槽向預應力鋼束立面布置圖(mm)

在槽墩及0#塊施工完成后的現場調查發現,2#槽墩豎向預應力鋼束的空間布置與設計圖紙存在偏差,經檢測發現豎向預應力筋在橫橋向方向上偏位,偏位導致預應力筋張拉后的施工與運營期間,在槽墩鋼束偏位及荷載作用下可能出現橋墩混凝土局部崩壞或開裂。

檢測報告的結果顯示,2#槽墩4個立面(4組預應力筋所處平面,以小樁號→大樁號編號分別為①～④)上的預應力筋均存在不同程度的偏位情況,橫橋向偏位達-190～270 mm?，F場檢測中隔板截面位置偏位及立面橫、縱向偏位檢測結果示意如下頁表1所示。

表1 隔板截面位置偏位及立面橫、縱向偏位檢測結果表

3 模型的建立

3.1 計算思路

根據工程實際的施工方案及規范的要求,本次計算分為64個施工階段和73個運營期荷載組合,若全部采用實體模型工作量十分巨大。為分析施工過程和運營期間槽墩混凝土局部受力情況,本文提出利用梁單元計算施工及運營期對槽墩產生最不利影響的四組最大內力工況,分別為最大彎矩、最大主梁軸力、最大主梁不對稱軸力、最大主梁不對稱彎矩工況,通過建立槽墩的整體及局部受力計算模型,對比預應力鋼束偏位與設計狀態兩種結構槽墩豎向預應力筋所在截面混凝土的受力狀態,進行槽墩的整體模型與實體局部模型兩方面的驗算,分析施工期和運行期的槽墩受力狀況,從而將局部模型簡化為9種模型(含張拉工況),以此來分析整個生命周期槽墩的最不利工況影響。

3.2 桿系模型

本次采用大型計算軟件Midas Civil對渡槽建立有限元計算模型,并按“單梁模型”進行結構計算分析。有限元模型如圖2所示。

圖2 渡槽梁單元模型圖

本次計算共劃分為64個施工階段,73個運營階段的荷載組合根據規范進行取值,梁單元共計劃分為394個單元,考慮以下因素的影響:

(1)混凝土、鋼筋為理想彈性材料,混凝土、鋼筋的彈性模量為常數。

(2)截面變形符合平截面假設。

3.3 局部模型

為了分析現狀結構下預應力偏位對槽墩的局部受力影響,本文采用三維實體有限元軟件建立有限元模型,建立包含0#～2#節段、2#槽墩、承臺的局部有限模型(見圖3～4),模型中混凝土使用C3D8R六面體單元進行模擬,總劃分單元為14 937個。為計算0#～2#節段、2#槽墩、承臺在整個施工周期及成橋狀態下的局部空間受力,本節采用梁單元整體模型與局部模型結合的方式,將整個施工階段及成橋狀態整體梁單元模型中2#節段與3#節段相鄰截面的內力值提取,以點-面耦合的方式施加到截面上,分析施工期和運行期的局部受力狀況,模型外力荷載為重力和2#截面內力的和。

圖3 網絡劃分圖

圖4 偏位預應力鋼筋布置圖

4 計算結果分析

4.1 梁單元計算最不利工況結果分析

分析渡槽的結構形式可知,影響槽墩最大主拉應力的結構內力主要為主梁軸力、彎矩以及主梁軸力、彎矩的不對稱性四種因素。故局部模型選取的截面計算最大內力工況及兩側最大內力差值工況如表2及表3所示。

表2 局部模型選取的計算最大內力工況表

表3 局部模型選取的計算最大不對稱內力工況表

將表2和表3中的內力值輸入到局部實體模型當中,用于渡槽施工過程及運營期對偏位薄壁墩的影響,將上述內力施加于相應的控制點上,并將控制點通過點-面耦合的方式約束到主梁截面上,得到張拉工況、施工運營期薄壁墩局部的最大拉應力工況分別為工況1、工況6。

4.2 張拉工況薄壁墩應力計算

在工況1的作用下,2#槽墩偏位處的局部最大主拉應力為0.90 MPa,出現在②截面,計算結果見表4和下頁圖5,根據《混凝土結構設計規范》(GBS0010-2010)(以下簡稱《規范》)[6],頂板最大主拉應力小于規范允許值1.96 MPa的要求。

表4 工況1作用下2#槽墩②立面鋼束折彎點混凝土拉應力值表(MPa)

圖5 工況1作用下②立面混凝土主拉應力云圖

4.3 施工和運營工況薄壁墩應力計算

在工況6的作用下,2#槽墩的偏位處局部最大主拉應力為0.91 MPa,出現在②截面,計算結果見下頁表5和圖6,根據《規范》,頂板最大主拉應力小于規范允許值1.96 MPa的要求。

表5 工況6作用下2#槽墩②立面鋼束折彎點混凝土拉應力值表(MPa)

圖6 工況6作用下②立面混凝土主拉應力云圖

5 結語

本文依據雷達探測報告及現場調查結果,建立豎向預應力筋的橫向、縱向偏位實體模型對左幅2#槽墩局部進行對比計算,提出桿系模型施工階段分析與三維實體有限元靜力分析相結合的模擬方法,建立從橋梁施工到運營全壽命周期的計算模型,分析預應力筋偏位對橋墩結構的影響,結論及建議如下:

(1)預應力筋的偏位對薄壁混凝土墩的局部產生較大的不利影響,在施工過程中應嚴格控制偏位;

(2)施工及運營過程中的荷載影響對預應力偏位導致的薄壁墩最大主拉應力的影響結果較小;

(3)因現場條件制約,豎向預應力筋在典型斷面的縱向安裝偏位難以測出,縱向預應力可能存在保護層厚度較小的情況,在張拉預應力時存在局部開裂的風險。因此,建議在設計允許且槽墩滿足受壓安全儲備的前提下可適當地減小預應力張拉值,減小局部開裂的風險。