改擴建橋梁橫向預應力影響范圍數值分析

【中圖分類號】 U445.6

【文獻標志碼】 A

1 工程概況

原三門江立交為單喇叭立交，既有匝道有C、D、E、Q匝道。需將此單喇叭立交改造為全互通立交。改建方案新建F、G、H、I、J、K六個匝道，并對局部位置加寬改造（圖1）。

圖1三門江立交改擴建方案

新舊橋結合段主要集中在C、Q、E三條匝道的分流點附近，目前橋梁的基本狀況為：上部結構為現澆預應力混凝土箱梁，下部結構為花瓶型橋墩。上部結構箱室布置如圖2所示。

圖2 C、Q、E匝道上部結構箱室布置

2 計算總體概況

2.1 計算內容

本次數值分析主要考察三門江立交改擴建工程，在1.5m隔離帶修建的新箱梁與既有橋梁連接時，鑿除混凝土對既有橋梁的影響，主要考慮的是既有橋梁在端橫梁及中橫梁處橫向預應力的影響。本報告主要是針對既有橋梁 ① ） ② 區域（圖3）的中橫梁和端橫梁進行數值分析，確定橫向預應力的影響范圍，通過對模型的計算及對結果的處理分析，最終給出在鑿除既有橋梁箱梁翼緣板混凝土時要保留的區域，以防止施工時對既有橋梁產生損害。

圖3新舊橋結合段

2.2 梁體構造

25～30m 預應力混凝土箱梁梁高 1.7m ，箱梁懸臂長2.0m ，懸臂端部 20cm ，懸臂根部 45cm ;箱梁頂板厚 25cm 底板厚 25cm ，標準段邊腹板厚 45cm ，中腹板厚 45cm ，墩頂支點附近腹板厚 65cm ，在支點截面處設置端、中橫梁，其中中橫梁厚度 2.5m ，端橫梁厚度 2m 。

2.3橫向預應力筋布置

橫向預應力筋鋼材采用 ?^s15.2 ，標準抗拉強度為1860MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑 15.2mm ，公稱截面積139mm²

2.3.1 非機動車道端橫梁橫向預應力筋布置

非機動車道端橫梁頂板附近設置4束橫向預應力筋，具體配置見表1。橫向預應力筋布置方式如圖4、圖5所示。

2.3.2非機動車道中橫梁橫向預應力筋布置

非機動車道中橫梁頂板附近設置8束橫向預應力筋，具體配置見表2。橫向預應力筋布置方式如圖6、圖7所示。

圖4非機動車道端橫梁橫向預應力筋布置立面（單位： cm ）

圖5非機動車道端橫梁橫向預應力筋截面（單位： cm ）

表1非機動車道端橫梁橫向預應力筋參數

表2非機動車道端橫梁橫向預應力筋參數

圖6非機動車道中橫梁橫向預應力筋布置立面（單位：cm）

2.3.3機動車道端橫梁橫向預應力筋布置

機動車道端橫梁頂板附近設置兩組橫向預應力筋H1和H2，具體配置見表3、表4。橫向預應力筋布置方式如圖8、圖9所示。

2.3.4機動車道中橫梁橫向預應力筋布置

機動車道中橫梁頂板附近設置兩組橫向預應力筋H1和H2，具體配置見表5、表6。

橫向預應力筋布置方式如圖10、圖11所示。

圖7非機動車道中橫梁橫向預應力筋截面（單位： cm ）

表3機動車道端橫梁橫向預應力筋H1參數

表4機動車道端橫梁橫向預應力筋H2參數

圖8機動車道端橫梁橫向預應力筋布置立面（單位：cm）

圖9機動車道端橫梁橫向預應力筋I-I截面（單位： cm ）

表5機動車道中橫梁橫向預應力筋H1參數

表6機動車道中橫梁橫向預應力筋H2參數

圖10機動車道中橫梁橫向預應力筋布置立面（單位：cm）

圖11機動車道中橫梁橫向預應力筋截面（單位： cm ）

2.4 新舊橋結合設計

非橫梁處連接方法：將Q匝道舊橋連接 F，G 匝道側懸臂鑿除 1m （橫梁處除外）， F，G 匝道懸臂鋼筋與Q匝道梁體懸臂鋼筋綁扎。

橫梁處連接方法：將F、G匝道橫梁通過植筋與Q匝道橫梁相連。施工時先植筋、綁扎橫梁鋼筋，澆筑橫梁梁體混凝土，待橫梁混凝土凝固后，再鑿除Q匝道跨中梁體懸臂，綁扎F、G匝道跨中梁體鋼筋，澆筑跨中梁體混凝土（圖12）。

圖12Q線橋 1.5m 分隔帶連接方式（單位：cm）

3 數值模型

3.1模型總體概況

應用大型有限元分析軟件ANSYS，建立局部模型對端橫梁及中橫梁橫向預應力進行數值分析，以確定其影響范圍，指導施工。有限元模型單位約定為：力單位為N，長度單位為 mm ，應力單位為 MPa 。

坐標約定為： x 坐標方向為橫橋向， y 坐標方向為豎向， z 坐標方向為順橋向。

正負號約定：無特殊說明，拉應力為正，壓應力為負。

模型及單元選擇：本次數值分析共創建四個局部模型，如表7所示，分別分析四處關鍵位置橫向預應力對梁體的作用范圍。創建模型時忽略掉縱向預應力及普通鋼筋的影響，只考慮橫向預應力效用。其中，梁體采用SOLID92實體單元，預應力筋模擬采用link8單元，使用力筋法通過建立約束方程將預應力施加到梁體上，有效預應力大小通過MidasCivil 軟件計算，當預應力筋兩端張拉 σ_k=0.75f_pk=1395 MPa時的有效預應力。

3.2荷載及材料參數

主梁材料為C50混凝土，預應力筋材料為 ?^s15.24 鋼絞

表7模型編號

線。荷載只考慮自重荷載及橫向預應力荷載。

3.3模型介紹

3.3.1非機動車端橫梁模型

根據設計圖紙，test1局部模型梁段長度為 6800mm ，即為4倍梁高，根據圣維南原理，此時右邊界的邊界條件對于計算端橫梁處的橫向預應力影響范圍的影響是可以忽略不計的。

具體模型如圖13、圖14所示，邊界條件為：

z=0，y=0 邊界約束 Ux ，Uy;

z=6800，y=0 邊界約束Ux，Uy， Uz 。

圖13 test1模型單元劃分

3.3.2非機動車中橫梁模型

test2梁段長度為 5300mm ，為梁高 1700mm 的3.1倍，根據圣維南原理，此時兩邊的邊界條件對于計算中橫梁處的橫向預應力影響范圍的影響是可以忽略不計的。

具體模型如圖15、圖16所示，模型邊界條件為：

z=-2650，y=0 邊界約束 Ux ，Uy;z=2650，y=0 邊界約束 Ux ，Uy;-600

圖16 test2模型示意

3.3.3機動車端橫梁模型

test3梁段長度為 6800mm ，為梁高 1700mm 的4倍，根據圣維南原理，此時右邊界的邊界條件對于計算端橫梁處的橫向預應力影響范圍的影響是可以忽略不計的。

具體模型如圖17、圖18所示，模型邊界條件為：

z=0，y=0 邊界約束 Ux ，Uy;

z=6800，y=0 邊界約束 Ux ，Uy， Uz 。

3.3.4機動車中橫梁模型

test4梁段長度為 12100mm ，為梁高 1700mm 的7.1倍，根據圣維南原理，此時兩邊的邊界條件對于計算中橫梁處的橫向預應力影響范圍的影響是可以忽略不計的。

具體模型如圖19、圖20所示，模型邊界條件為：

圖17 test3模型單元劃分

z=-6050，y=0 邊界約束 Ux ，Uy;z=6050，y=0 邊界約束 Ux ，Uy;-700

圖18 test3模型示意

圖19 test4模型單元劃分

4計算結果

4.1 test1

如圖21所示，關心區域為 zlt;2000 區域，即端橫梁所在位置。數值模擬結果顯示，由于橫向預應力筋的作用，翼緣板受壓，在翼緣板邊緣受壓最明顯，在鑿除翼緣板混凝土時需對該區域加以注意。

圖21testl計算結果云圖（單位： MPa ）

為清楚顯示橫向預應力的影響范圍，現在翼緣板上沿 z 方向作三個切面，畫出預應力筋所在高度梁體 x 方向的壓應力，切面數據如表8所示。各個切面的壓應力分布匯總如圖22所示。

表8test1各切面位置

圖20 test4模型示意

數值分析結果顯示，切面1位置處受橫向預應力影響最大，當 zgt;1590mm 時，翼緣板橫向壓應力小于 -1MPa 。

4.2 test2

如圖23所示，關心區域為 -1250

圖22 翼緣板切面

為清楚顯示橫向預應力的影響范圍，現在翼緣板上沿 z 方向作三個切面，畫出預應力筋所在高度梁體 x 方向的壓應力，切面數據如表9所示。

表9test2各切面位置

各個切面的壓應力分布匯總如圖24所示。數值分析結果顯示，切面1位置處受橫向預應力影響最大，當 zlt; -1570mm 或 zgt;1570mm 時，翼緣板橫向壓應力小于-1MPa 。

圖24 翼緣板切面

4.3 test3

如圖25所示，關心區域為 zlt;2000mm 區域，即端橫梁所在位置。數值模擬結果顯示，由于橫向預應力筋的作用，翼緣板受壓，在翼緣板邊緣受壓最明顯，在鑿除翼緣板混凝土時需對該區域加以注意。

圖25test3計算結果云圖（單位： MPa ）

為清楚顯示橫向預應力的影響范圍，現在翼緣板上沿 z 方向作三個切面，畫出預應力筋所在高度梁體 x 方向的壓應力，切面數據如表10所示。

表10test3各切面位置

各個切面的壓應力分布匯總如圖26所示。

圖26 翼緣板切面

數值分析結果顯示，切面1位置處受橫向預應力影響最大，當 zgt;2800mm 時，翼緣板橫向壓應力小于 -1MPa 。

4.4 test4

如圖27所示，關心區域為 -1250mm

為清楚顯示橫向預應力的影響范圍，現在翼緣板上沿 z 方向作三個切面，畫出預應力筋所在高度梁體 x 方向的壓應力，切面數據如表11所示。各個切面的壓應力分布匯總如圖28所示。

數值分析結果顯示，切面1位置處受橫向預應力影響最大，當 zlt;-2560mm 或 zgt;2560mm 時，翼緣板橫向壓應力小于 -1MPa 。

圖27test4計算結果云圖（單位： MPa ）

表11test4各切面位置

圖28 翼緣板切面

4.5計算結果匯總及分析

通過上述分析可以看出，對于非機動車道，切面1處是橫向預應力影響最大的區域且會出現最大壓應力，而對于機動車道，切面1處會出現最大壓應力，但影響范圍隨著壓應力的減小迅速變小，這是由于機動車道橫向預應力作用較非機動車道強很多，影響范圍也較深入。

5 結束語

本文通過數值模擬，對橫向預應力影響范圍進行分析，確定橋梁加寬施工時翼緣板保護范圍，以保證施工時不會對既有橋梁產生損害。對橋梁加寬設計計算具有指導意義，可供類似項目借鑒。

參考文獻

[1］中華人民共和國交通運輸部.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG3362-2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[2]中華人民共和國交通運輸部.公路橋涵設計通用規范：JTGD60-2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.