矮塔斜拉橋頂板縱向預應力不同張拉工序對預應力損失的影響分析

鄭洪濤 ZHENG Hong-tao

（武漢工程大學，武漢 430073）

0 引言

隨著我國橋梁建設事業的蓬勃發展，預應力混凝土結構越來越多地應用到大型橋梁建設中。混凝土是脆性材料，抗拉強度低，沒有屈服點，也沒有屈服強度，只有抗壓強度[1]。為了避免鋼筋混凝土結構的裂縫過早出現，充分利用高強度鋼筋及高強度混凝土，在混凝土結構或構件承受使用荷載前，通過施加外力，使得構件受到的拉應力減小。在我國的當代橋梁結構中，至少70%以上都是運用預應力技術[2]。只要運用預應力技術就會面臨預應力損失，預應力的損失一直是預應力橋梁結構設計和施工中密切關注的問題，同時預應力損失也是不可避免的，但可以用不同張拉方案使其預應力損失和對橋梁應力的影響最小。

在本項目中，施工單位提出了與設計單位不同的頂板縱向預應力鋼棒張拉方案，本文從預應力損失角度考慮，對此問題進行了研究。通過模擬頂板縱向預應力鋼棒不同張拉工序，最終分析總結頂板縱向預應最佳張拉工序。

1 工程概況

本文以荊州至李埠沿江一級公路江漢運河特大橋為工程背景。主橋采用懸臂法施工，共有68（17×4）個節段、2個0#塊、2 個現澆直線段、2 個邊跨合龍段、1 個中跨合龍段。橋梁上部結構采用4×25m 預應力混凝土連續小箱梁+（110+180+105）m 雙塔雙索面單箱單室部分斜拉橋+5×25m 預應力混凝土連續小箱梁，主梁為預應力混凝土結構，混凝土強度等級為C55 級，主梁為單箱單室截面，跨中及邊跨現澆段主梁梁高3.2m，橋塔處主梁根部梁高6m；主梁頂面寬15.65m，兩側懸臂翼緣板寬為1.1m，主梁端部厚60cm、根部厚100cm，為斜拉索錨固區；主梁3～17#節段及合龍段頂板厚25cm，2～1#節段頂板厚從25cm 過渡至50cm，0#節段頂板厚50cm；邊跨現澆段底板厚30cm，跨中及合龍段底板厚30cm，根部底板厚100cm；主梁箱內設置橫隔板，標準橫隔板間距5m，局部根據構造要求進行調整，標準橫隔板厚40cm，4、7 號墩頂端橫梁厚2m，5、6號塔中心處中橫梁厚3m。

本實例橋主梁為三向預應力結構，頂板縱向預應力分兩類，一類為Φs15.2 的高強度低松弛鋼絞線，抗拉強度標準值為fpk=1860MPa，另一類為Φ16-3 的無粘結預應力鋼棒，抗拉強度標準值為fpk=1420MPa。

箱梁頂板全橋通長布置14 根預應力鋼棒，主橋7～17#節段布置有斜拉索，為了排除其他各種干擾，只研究未布置斜拉索節段，即1～6#節段；為了便于模擬分析且更具有代表性，全文均假定運用12 根預應力鋼棒進行研究分析。

2 頂板縱向預應力鋼棒不同張拉方案

大跨度混凝土預應力橋梁因為擁有較好的受力性能和便利的養護條件得到了普遍的使用，縱向預應力是此類橋梁的基礎，且不同工序張拉控制下，對橋梁的應力及預應力損失也有一定的影響，在實際的工程應用中，如果縱向預應力損失過大，將達不到預期的效果[3]。同時預應力損失是不可避免的，但可以用不同預應力鋼棒張拉方案進行對比分析，使預應力損失盡量達到最小。為此，本章進行了縱向預應力鋼棒不同張拉方案對比分析其應力及預應力損失的大小。

頂板縱向預應力筋總體橫斷面布置圖見圖1-圖2所示。

圖1 主橋頂板縱向預應力橫斷面圖

圖2 1/2 主橋節段示意圖

結合本橋設計和施工單位提出的方案有以下可選擇方案。

①單節段整體張拉：每個節段施工完成后，張拉本節段的全部12 根預應力筋（均張拉至100%）。

②兩節段交叉張拉：每個節段施工完成后，張拉本節段全部12 根預應力筋的一半（6 根），下一個節段張拉剩余6 根（均張拉至100%）。

例如：1）第1 節段施工完成后，張拉本節段的第1、3、5、7、9、11 根預應力筋；2）第2 節段施工完成后，張拉本節段的第2、4、6、8、10、12 根預應力筋。

③三節段交叉張拉。每個節段施工完成后，張拉本節段全部12 根預應力筋的三分之一（4 根），下兩個節段張拉剩余8 根（均張拉至100%）。

例如：1）第1 節段施工完成后，張拉本節段的第1、4、7、10 根預應力筋；2）第2 節段施工完成后，張拉本節段的第2、5、8、11 根預應力筋；3）第3 節段施工完成后，張拉本節段的第3、6、9、12 根預應力筋。

3 數值模擬分析

3.1 Midas Civil 簡介及主要功能

Midas Civil 是個通用的空間且兼具設計功能和分析功能的有限元分析軟件，可適用于橋梁結構、地下結構、工業建筑、飛機場、大壩、港口等結構的分析與設計。特別是針對橋梁結構，Midas Civil 結合國內的規范與習慣，在建模、分析、后處理、設計等各種經過綜合考慮所開發的軟件，提供了很多的便利的功能，目前已為各大橋梁、公路、鐵路部門的設計院所采用。

3.2 節點及單元建立

因本橋兩個橋墩0～17#節段呈對稱，所以選取本橋梁的1/2 梁段進行研究即具有代表性。根據江漢運河特大橋的施工特點和設計要求將本橋梁劃分為292 個單元，其中包含319個節點，主梁選用空間梁單元模擬，斜拉索選用只受拉桁架單元模擬，整體計算模型如圖3所示。

圖3 全橋整體計算模型圖

在有限元計算模型中，其主要材料參數如下：

①混凝土材料。級別：主梁C55、索塔C50、支墩C50、承臺C40；選取規范：JTG04（RC）；泊松比：0.2；阻尼比：0.05。②預應力鋼束材料。名稱：主梁預應力鋼絞線（Strand1860）、主梁預應力精軋螺紋鋼（Steelbar785）、索塔預應力鋼束（Strand1860）；選取規范：JTG04（S）；泊松比：0.3；阻尼比：0.02。

3.3 數值模擬分析結果

①各施工階段張拉后與張拉前應力變化結果如圖4 所示。②各施工階段應力大小結果如圖5 所示。③各施工階段每個節段預應力損失結果如表1-表3 所示。

表1 螺紋鋼1 節段整體張拉預應力損失值

表2 螺紋鋼2 節段交叉張拉預應力損失值

表3 螺紋鋼3 節段交叉張拉預應力損失值

圖4 各施工階段應力變化結果圖

圖5 各施工階段應力結果圖

4 小結

結果表明，對比施工節段澆筑后與張拉后，頂板縱向預應力筋無論是單節段整體張拉、兩節段交叉張拉還是三節段交叉張拉，每個節段的應變大小比較平均，均在-1.5MPa～-0.4MPa 之間，變化最大的均為6#節段。

預應力損失張拉前與張拉后進行對比，其中單節段整體張拉預應力損失最多的為1～2#節段，預應力損失率高達80.2%左右，3～6#節段預應力損失率平均都在40.4%左右；兩節段交叉張拉預應力損失最少的為1#節段，損失率為17.2%左右，2～6#節段預應力損失率平均都在40.4%左右；三節段交叉張拉預應力損失最多的為1#節段，損失率為48.8%左右，2～6#節段預應力損失率平均都在40.4%左右。

5 結語

綜上所述，頂板縱向預應力鋼棒在不同張拉工序下，每個節段張拉前與張拉后應變較平均，且當前施工節段應變最大。根據有限元模擬頂板縱向預應力筋不同張拉工序對橋梁的應力及預應力損失數據表明，矮塔斜拉橋頂板縱向預應力筋使用2 節段交叉張拉較為合理。類似橋梁施工可以借鑒本橋頂板預應力筋張拉方案。