某公路橋項目預應力箱梁合龍段受力及參數影響探討

李紅琴

摘要 為有效探究箱梁自重、預應力大小及張拉時機對預應力現澆箱梁受力及變形的影響，文章依托某公路橋梁施工實踐，通過有限元模型，對預應力現澆箱梁合龍段的底板應力及位移變化實施模擬分析。結果顯示：（1）箱梁底板跨中部位板體較薄、鋼絞線布設數量較多，在交通荷載持續影響下，極易引發底板橫向開裂問題。（2）適當降低底板縱向預應力能夠在一定程度上降低底板拉應力，可以有效避免梁體底板裂縫。（3）箱梁結構強度達到設計值90%時實施預應力張拉，能夠有效降低底板應力，防止箱梁底板開裂。

關鍵詞 公路橋梁項目；混凝土箱梁；合龍段受力；參數分析

中圖分類號U445.57文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0096-03

0 引言

預應力箱梁作為公路橋梁建設的常用結構類型，其受力形式較為復雜，特別是對于合龍施工階段，由于預應力鋼筋數量較多，箱梁高度及底板厚度不足，形成受力最不利部位，加強箱梁合龍段施工過程中的底板受力及變形分析尤為重要。為此，該文結合實際工程案例，系統分析了預應力箱梁合龍段受力及參數影響，對保證預應力箱梁施工質量，具有重要意義[1]。

1 工程概況

某公路橋梁項目總長度為7.25 km，設計時速為80 km/h，上部采用單箱單室現澆箱梁結構，支架體系為鋼管樁；現澆箱梁頂板寬度為12 m，兩側懸臂長度均為2.5 m，厚度為0.26 m；底板寬度為6.0 m，厚度為0.24 m，腹板厚度為0.45 m，整體高度為2.6 m。預應力鋼筋沿箱梁縱向布設，因合龍段預應力鋼筋設置數量較多，箱梁高度較小，并且跨中為受力不利部位，所以該文選取合龍段與兩側梁段共計3節段實施力學性能分析。

2 模型建立

2.1 建立模型

通過ANSYS系統，構建合龍段與兩側梁段3節段的數值模型，見圖1所示。模型長32.0 m，x、y方向依次代表箱梁寬度和高度，以豎直向上及水平向右為正向，向下及向左為負向。z軸表示梁體縱向，以邊緣至跨中為正向。設計張拉力為1 860.0 MPa，共劃分為27 845個單元，32 020個節點。混凝土及鋼筋主要技術指標，見表1所示。

2.2 計算方式

利用ANSYS系統實施的模擬計算分析具體包含3個階段，先由設計指標轉化為狀態指標，然后轉化為目標方程，詳細流程見圖2所示。

3 模型分析

3.1 箱梁底板受力及變形分析

通過模擬計算得到合龍段底板及截面豎向應力變化規律，分別見圖3～4所示：

從圖3和圖4可知：①梁體腹板內、外兩側分別承受拉力和壓力作用，且拉力、壓力最大值均位于該部位，因此腹板兩側極易產生裂縫。②合龍段箱梁最大拉應力、壓應力分別出現在腹板內側及外側接近底板的部位，其值分別為1.60 MPa和0.96 MPa，在交通荷載反復影響下，若此部位箍筋布設不合理，極易引發底板開裂問題[2]。

經模擬計算得到箱梁底板中線部位縱向、橫向的應力變化規律，見圖5所示。從圖5可知，最大橫向拉力出現在底板的跨中部位，并且由跨中向兩邊不斷減小，所以底板跨中部位容易產生裂縫[3]。

模擬得到合龍段跨中部位的豎向變形規律，見圖6所示。從圖6可知，底板跨中部位的變形最大，其變形量為2.72 mm。

通過上述分析可知，箱梁底板跨中部位的板體較薄、鋼絞線布設數量較多，導致合龍段跨中位置產生的拉應力及豎向位移較大，形成受力最不利部位，在交通荷載持續影響下，極易引發底板橫向開裂問題[4]。

3.2 箱梁底板橫向受力影響因素分析

為有效探究箱梁底板橫向裂縫產生原因，分別從梁體重力、預應力分布情況及預應力張拉時機三個方面進行模擬分析。

選取箱梁自重的1.0、1.1、1.2倍三種重力作用進行模擬分析，獲得不同箱梁重力作用下底板橫向應力的變化規律，見圖7所示：

從圖7可知，各種箱梁重力作用下底板橫向應力呈現相同的變化趨勢，并且梁體重力越大，底板橫向應力越大；與1.0倍箱梁重力條件相比，1.1、1.2倍箱梁重力條件下，箱梁底板橫向應力依次提升11.3%、24.2%，充分表明梁體重量增大會在一定程度上增加底板拉應力，進而增大底板開裂風險[5]。

按照0.85、0.90、0.95、1.0倍標準施加預應力作用，通過模擬計算得到各種預應力下底板橫向應力的變化規律，見圖8所示。

從圖8可知，梁體縱向預應力0.85、0.90、0.95、1.0倍條件下，底板產生的最大橫向應力依次為2.46 MPa、2.67 MPa、3.01 MPa、3.32 MPa；與1.0倍縱向預應力相比，0.85、0.90、0.95倍預應力條件下底板橫向拉力下降幅度依次為25.9%、19.6%、9.3%，充分表明適當降低底板縱向預應力能在一定程度上降低底板拉應力，可以有效避免梁體底板裂縫。

選取混凝土齡期3 d、5 d、7 d、14 d及28 d條件下的箱梁進行預應力張拉，并對不同張拉齡期下的箱梁底板橫向應力實施模擬分析，得到各種張拉齡期下底板及跨中部位橫向應力的變化規律，分別見圖9～10所示：

從圖9、圖10可知：①箱梁張拉齡期越大，其底板橫向應力越大。②箱梁張拉齡期3 d、5 d、7 d、14 d及28 d條件下，箱梁底板橫向應力依次為2.46 MPa、

2.52 MPa、2.57 MPa、2.61 MPa、2.65 MPa；與張拉齡期3 d相比，張拉齡期5 d、7 d、14 d及28 d條件下底板橫向應力提升幅度依次為2.4%、4.5%、6.1%、7.7%。混凝土齡期較短時，其抗拉強度值較低，無法滿足設計標準要求，因此應在箱梁結構強度達到設計值的90%時實施預應力張拉，能顯著降低底板應力，避免箱梁底板開裂。

4 結語

綜上所述，該文結合某公路橋梁合龍段施工實踐，通過有限元模型，對預應力現澆箱梁合龍施工階段底板應力及位移變化實施模擬分析，得出如下結論：

（1）箱梁底板跨中部位板體較薄、鋼絞線布設數量較多，導致合龍段跨中位置產生的拉應力及豎向位移較大，形成受力最不利部位，在交通荷載持續影響下，極易引發底板橫向開裂問題。

（2）箱梁重力越大，底板橫向應力越大，與1.0倍箱梁重力條件相比，1.1、1.2倍箱梁重力條件下，箱梁底板橫向應力依次提升11.3%、24.2%，充分表明梁體重量增大會在一定程度上增加底板拉應力，進而增大底板開裂風險。

（3）梁體縱向預應力越大，底板產生的橫向應力越大，與1.0倍縱向預應力相比，0.85、0.90、0.95倍預應力條件下底板橫向拉力下降幅度依次為25.9%、19.6%、9.3%，充分表明適當降低底板縱向預應力能在一定程度上降低底板拉應力，有效避免梁體底板裂縫。

（4）箱梁張拉齡期越大，其底板橫向應力越大；混凝土齡期較短時，其抗拉強度值較低，無法滿足設計標準要求，因此應在箱梁混凝土強度達到設計值的90%時實施預應力張拉，以有效降低底板應力，防止箱梁底板開裂。

參考文獻

[1]張宏武， 王曉峰. 預應力混凝土剛構-連續組合梁橋施工線形控制方法探究[J]. 建筑機械， 2023（11）： 36-40.

[2]王振忠. 高墩大跨預應力混凝土連續梁合龍段施工技術[J]. 建筑機械， 2023（9）： 50-53.

[3]張景輝. 轉體橋合龍段混凝土縱向開裂控制研究[J]. 公路， 2023（4）： 207-212.

[4]張萬朋， 劉文， 張文學， 等. 連續梁橋合龍段混凝土縱向裂縫成因分析及改善措施[J]. 公路交通科技， 2022（12）： 86-93.

[5]王俊強. 預應力混凝土連續箱梁掛籃施工工藝[J]. 交通世界， 2022（34）： 143-145.