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摘要：通過針對預(yù)應(yīng)力張拉次序?qū)ο淞鹤冃渭敖Y(jié)構(gòu)受力影響的理論分析，并結(jié)合計算結(jié)果，給出了針對彎箱梁預(yù)應(yīng)力張拉施工的“先外后內(nèi)，對稱均衡”的彎箱梁橫截面上的張拉次序原則。通過施工過程中的監(jiān)控及后期監(jiān)測，效果較好，研究成果對彎箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉具有一定的參考價值。...

彎箱梁橋橫截面上預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次序研究

林偉偉  吳志勤  丁漢山  歐慶保  王立海

東南大學(xué)，江蘇南京210096 上二海國康聯(lián)同橋梁工程咨詢有限公司 上海200092

江蘇潤揚大橋發(fā)展責(zé)任有限公司 江蘇鎮(zhèn)江212002

引言

    目前曲線梁橋在現(xiàn)代化的公路及城市道路立交中的數(shù)量逐年增加，應(yīng)用已非常普遍。尤其在互通式立交的匝道橋設(shè)計中應(yīng)用更為廣泛。預(yù)應(yīng)力混凝土彎箱梁橋，其預(yù)應(yīng)力鋼束的線形大部分為空間三維曲線，具有雙向曲率，這使得彎箱梁橋在預(yù)應(yīng)力作用下的內(nèi)力分析較為困難。目前國內(nèi)對彎箱梁橋仍多采用梁單元來進行分析，一般不考慮預(yù)應(yīng)力鋼束在梁截面上的橫向位置。由于彎箱梁的曲線形式，預(yù)應(yīng)力作用會產(chǎn)生與彎橋的曲率半徑大小直接相關(guān)的徑向水平分力、扭矩和扭轉(zhuǎn)變形，而由于內(nèi)側(cè)腹板中鋼束的平面半徑比外側(cè)的平面半徑小，其空問長度和空間彎角及孔道摩阻損失不同。另外，后續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉對前面已張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束也有較大影響。因此，相同的張拉控制力，內(nèi)外側(cè)預(yù)應(yīng)力鋼束在梁體上產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效果就不同。由于內(nèi)外側(cè)預(yù)應(yīng)力對彎箱梁梁體所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形存在很大差異，所以預(yù)應(yīng)力施T過程中，對于彎箱梁不能簡單地套用直箱梁的兩側(cè)對稱張拉方式。若預(yù)應(yīng)力鋼束張拉的先后順序掌握不好，可能會導(dǎo)致彎箱梁在施工階段出現(xiàn)過大的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，嚴(yán)重的可能引起箱梁側(cè)向開裂甚至破壞。因此對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次序進行研究很有必要。本文以潤揚長江公路大橋世業(yè)洲互通匝道實際工程為研究背景，采用大型有限元分析軟件Ansys建立相應(yīng)的有限元模型，結(jié)合實際施工情況，提出幾種典型的預(yù)應(yīng)力張拉方案，在分析模型上進行模擬張拉，通過比較幾種不同的張拉次序下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，提出曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束較合理的張拉次序，對于類似的彎箱梁橋的建設(shè)也有重要的參考價值。

1、有限元模型的建立

    1.1工程概況

    潤揚長江公路大橋世業(yè)洲互通D匝道橋，平面曲率半徑R=60m。該橋上部結(jié)構(gòu)跨徑為4×32.604m，四跨一聯(lián)。橋?qū)?/span>8.66～8.75m，橋長130.417m。采用單箱單室截面。梁高210cm，頂、底板厚25cm，跨中及支座附近腹板厚度為40cm和60cm。下部結(jié)構(gòu)采用200cm X382cm的矩形墩。從0號到4號橋墩，橋墩高度依次為34.952m，36.089m，37.211m，38.071m，38.243m。對于橋墩支座，l～3號橋墩內(nèi)外側(cè)支座皆設(shè)置為固定支座；0號和4號橋墩外側(cè)支座設(shè)置為單向支座，內(nèi)側(cè)支座設(shè)置為雙向支座。固定支座要求墩梁對應(yīng)節(jié)點上各方向均不發(fā)生相對位移；單向支座要求墩梁對應(yīng)節(jié)點的徑向及豎向變形一致；雙向支座只要求墩梁對應(yīng)節(jié)點的豎向變形一致。該橋上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，下部結(jié)構(gòu)墩身采用C30混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用符合ASTMA：416-92a的15.24mm高強低松弛鋼絞線。

    1.2單元選取及預(yù)應(yīng)力作用的模擬

    潤揚長江公路大橋世業(yè)洲互通D匝道橋的有限

 

圖2 D匝道橋預(yù)應(yīng)力鋼束構(gòu)造簡圖

    元建模采用Ansys提供的實體單元SOLID95來模擬混凝土材料，采用三維桿單元LINK8進行模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋。

    在有限元中，常用的預(yù)應(yīng)力加載有等效力法和等效應(yīng)變法兩種形式。本文根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中對預(yù)應(yīng)力損失作出的各項規(guī)定，計算得出各種因素造成的預(yù)應(yīng)力損失。 將張拉應(yīng)力扣除各種預(yù)應(yīng)力損失便得到有效預(yù)應(yīng)力。而后利用等效降溫法進行有效預(yù)應(yīng)力的施加。T為施加的溫度；σ為有效預(yù)應(yīng)力；E為預(yù)應(yīng)力鋼束彈性模量；δ為預(yù)應(yīng)力鋼束的線脹系數(shù)。

    1.3對支架的模擬

    該匝道橋的箱梁施工順序為：由4號墩向0號墩方向逐跨進行施工，箱梁采用滿堂支架施工。有限元模型中必須實現(xiàn)對梁體下部支撐即支架的模擬。支架在支撐梁體時，只可承受壓力而不可承受拉力，針對支架表現(xiàn)出的這種拉壓異性的特點，考慮采用非線性桿單元進行模擬。這種單元可以通過一些單元性質(zhì)設(shè)定，將其設(shè)定為單向受力桿件。采用這種單元進行分析時，需要將其和上部梁體建立耦合聯(lián)結(jié)。當(dāng)其受壓時，和普通線性桿件一樣，而當(dāng)其軸力大于零時，它會出現(xiàn)斷裂，不再參與結(jié)構(gòu)受力。本文采用LINKl0單元，將該單元的初應(yīng)變值設(shè)為大于l，參數(shù)KEYOPT(3)=1，則該單元可以模擬只能承受壓力的支架。

2、張拉過程分析

    預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖3所示，將所有預(yù)應(yīng)力鋼束分為內(nèi)側(cè)預(yù)應(yīng)力鋼束和外側(cè)預(yù)應(yīng)力鋼束兩部分，共18根，其中“張拉束”為第一施工階段(即圖2中4號墩至施工縫之間梁段)所需張拉的鋼束，即本文研究對象，“通過束”為本施工階段不需張拉的鋼束。施工過程中采用的是一次張拉一束預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉工藝，依次“張拉束”進行張拉。經(jīng)計算分析，得到單獨張拉各預(yù)應(yīng)力鋼束時箱梁頂板、底板縱向應(yīng)力曲線圖，如圖4所示。

 

圖3預(yù)應(yīng)力鋼束截面布置圖

 

(a)單獨張拉各鋼束時頂板內(nèi)側(cè)縱向應(yīng)力曲線圖

 

(b)單獨張拉各鋼束時頂板外側(cè)縱向應(yīng)力曲線

 

(c)單獨張拉各鋼束時底板內(nèi)側(cè)縱向應(yīng)力曲線

 

(d)單獨張拉各鋼束時底板外側(cè)縱向應(yīng)力曲線

圖4單獨張拉各鋼束時頂?shù)装蹇v向應(yīng)力曲線(單位：MPa)

可以得出以下結(jié)論：

    (1)單獨張拉內(nèi)側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束，頂板內(nèi)側(cè)絕大多部位(除施工縫附近外)處于受壓狀態(tài)，跨中部位的壓應(yīng)力大于梁兩端的壓應(yīng)力；頂板外側(cè)則基本上處于受拉狀態(tài)，施工縫附近的頂板外側(cè)拉應(yīng)力較大，其余部位拉應(yīng)力較小且變化幅度小；底板內(nèi)側(cè)基本上處于受壓狀態(tài)；底板外側(cè)局部受拉，最大拉應(yīng)力為0．519MPa。

    (2)單獨張拉外側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束，頂板內(nèi)側(cè)基本上處于受拉狀態(tài)，施工縫附近的頂板內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力較大，其余部位拉應(yīng)力較小且變化幅度小；頂板外側(cè)絕大多部位(除施工縫附近外)處于受壓狀態(tài)，跨中部位壓應(yīng)力大于梁兩端壓應(yīng)力；底板內(nèi)側(cè)局部受拉，最大拉應(yīng)力為0.501MPa；底板外側(cè)基本處于受壓狀態(tài)。

    (3)單獨張拉內(nèi)側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力鋼筋在外側(cè)頂?shù)装瀹a(chǎn)生的縱向應(yīng)力的變化規(guī)律與單獨張拉外側(cè)某一根預(yù)應(yīng)力鋼筋而在內(nèi)側(cè)頂?shù)装瀹a(chǎn)生的縱向應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致。數(shù)值上，頂板內(nèi)外側(cè)之間的應(yīng)力差別大于底板內(nèi)外側(cè)之間的應(yīng)力差別。

    (4)單獨張拉同一側(cè)的不同預(yù)應(yīng)力鋼束在頂?shù)装瀹a(chǎn)生的應(yīng)力的差別很小(施工縫處除外)。

    由上述分析可知，若僅張拉一束預(yù)應(yīng)力束，不同預(yù)應(yīng)力束張拉產(chǎn)生的縱向應(yīng)力總體上而言差別較小。為了進一步分析，取不同預(yù)應(yīng)力束張拉在頂?shù)装瀹a(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力進行比較。

    由圖5(a)和圖5(b)可以看出，單獨張拉外側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束在頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)產(chǎn)生的縱向應(yīng)力最大值均遠(yuǎn)大于相應(yīng)頂?shù)装逋鈧?cè)縱向應(yīng)力最大值；與此對應(yīng)，當(dāng)單獨張拉內(nèi)側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束時，頂?shù)装逋鈧?cè)的縱向應(yīng)力最大值均遠(yuǎn)大于頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)的縱向應(yīng)力最大值。

 

    單獨張拉某根預(yù)應(yīng)力束時，頂板產(chǎn)生的縱向應(yīng)力最大值均大于底板產(chǎn)生的縱向應(yīng)力最大值。單獨張拉14號預(yù)應(yīng)力束時，頂板外側(cè)縱向應(yīng)力最大值為1.147MPa，為單獨張拉不同預(yù)應(yīng)力束時頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力最大值；單獨張拉2號預(yù)應(yīng)力束時，頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力最大值為0.861MPa，小于單獨張拉其他預(yù)應(yīng)力束時所產(chǎn)生的頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力最大值。

    由上述可知，第一步先單獨張拉2號預(yù)應(yīng)力筋將在頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)產(chǎn)生相對較小的縱向應(yīng)力值。因此建議第一束張拉束選取為2號束。

    當(dāng)確定第一束張拉束選取為2號束后，接下來考慮的是第二束張拉束的選取。有兩種可選方案：

    (1)選取與2號束同一側(cè)的預(yù)應(yīng)力束，即某一外側(cè)束；可供選擇的預(yù)應(yīng)力束有4號束、7號束、8號束；

    (2)選取另一側(cè)的預(yù)應(yīng)力束，即某一內(nèi)側(cè)束�？晒┻x擇的有11號束、14號束、15號束、l8號束。

    經(jīng)計算，得到如下不同張拉預(yù)應(yīng)力束時頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)最大縱向應(yīng)力，如圖6(a)和圖6(b)所示。

    上述兩圖中，2號束對應(yīng)的結(jié)果為先張拉2號束再張拉4號束的最大縱向應(yīng)力，其余含義類似。

    由圖6(a)和圖6(b)可以看出，當(dāng)?shù)诙�束張拉束選取為與2號束同一側(cè)的預(yù)應(yīng)力束時，其在頂板內(nèi)側(cè)、底板內(nèi)側(cè)以及底板外側(cè)所產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力值均遠(yuǎn)大于張拉束選取為內(nèi)側(cè)束時所產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)力值。當(dāng)?shù)诙�束張拉束選取為內(nèi)側(cè)束時，不同的張拉束在頂板內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力比較接近，而在底板內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力變化相對較大。比較而言，第二束張拉束選為18號預(yù)應(yīng)力束更為合理。

表1張拉方案

    綜合上面的分析可知，在張拉過程中可以遵循一定的規(guī)律，先張拉外側(cè)鋼束后張拉內(nèi)側(cè)鋼束以及上下對稱張拉。在確定前兩束張拉束依次為2號束和l8號束的基礎(chǔ)上，依據(jù)上述張拉規(guī)律，在確定后續(xù)六束張拉束時可考慮如下六種可能的張拉方案：

    在方案一至方案六的各個方案中，第一束鋼束表示的是總的張拉順序中第三束將被張拉的鋼束。在第一束、第二束張拉束分別選取為2號束、18號束的基礎(chǔ)上，以上各方案皆把將進行張拉的第三束預(yù)應(yīng)力束選取為與2號束同在一側(cè)的外側(cè)預(yù)應(yīng)力束。為比較各種不同選取方式的差異，現(xiàn)將計算結(jié)果例于表2。

表2前三束預(yù)應(yīng)力束張拉后頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)最大縱向應(yīng)力

    由表2可見，當(dāng)?shù)谌�束張拉束選取為4號束、7號束或8號束時，頂板內(nèi)外側(cè)的最大縱向應(yīng)力都是拉應(yīng)力，同一側(cè)各個最大值之問的差值很小。將不同選取方式下頂板內(nèi)側(cè)最大縱向應(yīng)力值進行比較，當(dāng)選取8號束時，頂板內(nèi)側(cè)的最大縱向應(yīng)力為0.339MPa，該值為不同選取方式下頂板內(nèi)側(cè)的最大縱向應(yīng)力；當(dāng)選取7號束時．頂板內(nèi)側(cè)的最大縱向應(yīng)力為0.296MPa，該值為不同選取方式下頂板內(nèi)側(cè)的最小縱向應(yīng)力。上兩值之間僅相差0.043MPa。各種不同的選取方式下，當(dāng)選取8號束時，底板內(nèi)外側(cè)的最大值皆為負(fù)值，這表明底板內(nèi)外側(cè)沿橋長方向整體處于受壓狀態(tài)；當(dāng)選取4號束或7號束時，僅底板內(nèi)側(cè)處于受壓狀態(tài)，底板外側(cè)仍將出現(xiàn)拉應(yīng)力，而且最大拉應(yīng)力達(dá)0.307MPa。

    綜上所述，將第三束張拉束確定為8號束比較合理。因此，在方案一至方案六中，選取方案一和方案二繼續(xù)進行討論，而將方案三至方案六淘汰。按照方案一和方案二中所布置的張拉順序，一束預(yù)應(yīng)力束的張拉對應(yīng)Ansys中的一個荷載步，分別計算兩種方案下頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力值。因方案一和方案二的前四束預(yù)應(yīng)力鋼束采取一樣的張拉順序，故僅取后四束預(yù)應(yīng)力的張拉結(jié)果進行比較。結(jié)果如表3所示，可以看出：

表3不同方案下頂?shù)装蹇v向應(yīng)力

 

    (1)在后四束預(yù)應(yīng)力束的張拉過程中，方案一和方案二中的頂板內(nèi)外側(cè)的最大縱向應(yīng)力皆為拉應(yīng)力，而最小縱向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力。此說明頂板內(nèi)外側(cè)某些部位受拉而某些部位受壓。

    (2)在后四束預(yù)應(yīng)力束的張拉過程中，方案一和方案二中的底板內(nèi)外側(cè)的最大縱向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力，而最小縱向應(yīng)力亦皆為壓應(yīng)力。這說明底板內(nèi)外側(cè)整體處于受壓狀態(tài)。

    (3)第五束、第六束以及第七束張拉束選取不同的預(yù)應(yīng)力束，張拉后的結(jié)果會有所不同，最大縱向應(yīng)力絕對值很小，且彼此之間的差別亦非常小。最大的差值發(fā)生在方案一中第五束張拉束選取為4號束在頂板外側(cè)產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力為0.188MPa，而方案二中第五束張拉束選取為7號束相應(yīng)的最大縱向應(yīng)力為0.162MPa，差值僅為0.026MPa；底板的最小縱向應(yīng)力絕對值比較大，且彼此之間的差別相對較大。最大的差值發(fā)生在方案一中第五束張拉束選取為4號束在底板外側(cè)產(chǎn)生的最小縱向應(yīng)力為一6.535MPa，而方案二中第五束張拉束選取為7號束相應(yīng)的最小縱向應(yīng)力為一7.545MPa，差值達(dá)到1.01MPa。

    (4)隨著總體張拉鋼束數(shù)量的增加，不同方案之間的應(yīng)力結(jié)果差異減小，例如方案一和方案二中第五束、第六束的應(yīng)力結(jié)果差異大于方案一和方案二中第七束的應(yīng)力結(jié)果差異。當(dāng)張拉完所有的預(yù)應(yīng)力鋼束后，不同方案問的應(yīng)力結(jié)果相同。

    綜合比較，方案二稍優(yōu)于方案一，因此建議對于潤揚大橋世業(yè)洲互通D匝道橋第一施工階段預(yù)應(yīng)力的張拉采取先張拉2號束，而后依次張拉18號束、8號束、11號束、7號束、l4號束、4號束、15號束的張拉順序。

3、預(yù)應(yīng)力張拉次序?qū)�彎箱梁變形的影響分�?/strong>

    張拉布置在腹板上的預(yù)應(yīng)力鋼束，會影響彎箱梁橋的曲率，且不同位置的鋼束對梁體的影響不同，張拉布置在內(nèi)側(cè)腹板上的預(yù)應(yīng)力鋼束會增加彎箱梁橋的曲率，而張拉位于外側(cè)腹板上的預(yù)應(yīng)力鋼束則會減小彎箱梁橋的曲率。對于布置于同一截面上的預(yù)應(yīng)力鋼束，通過計算結(jié)果分析可知，在橫截面上張拉這些預(yù)應(yīng)力鋼束首先應(yīng)盡量保證內(nèi)、外側(cè)腹板上已張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束接近相等。在豎向上，建議根據(jù)曲率半徑選擇張拉束，即：曲率半徑大的彎箱梁，建議先張拉中間的鋼束，再張拉其上下的鋼束；當(dāng)彎橋曲率較小時，建議先張拉外側(cè)頂板鋼束。通過上述有限元計算與理論分析，可以概括為“先外后內(nèi)，對稱均衡”的張拉次序。

4、結(jié)束語

    本文以潤揚大橋世業(yè)洲互通D匝道橋為工程背景，研究了連續(xù)曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次序問題。經(jīng)計算分析，得出以下結(jié)論：

    (1)為了利用預(yù)應(yīng)力抵消外荷載產(chǎn)生的扭矩，從理論上講可以采用下列措施：①內(nèi)外側(cè)腹板上預(yù)應(yīng)力鋼束線形對稱，但張拉力不同，外側(cè)張拉較內(nèi)側(cè)的大；②在頂?shù)装宀贾脧澢�方向相反的預(yù)應(yīng)力鋼束。

    (2)初始張拉束的選取對梁體應(yīng)力影響較大，隨著張拉預(yù)應(yīng)力束數(shù)量的增加，梁體剛度增加，不同張拉束的選取所產(chǎn)生的應(yīng)力差異減小。

    (3)在曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉，應(yīng)遵循“先外后內(nèi)，對稱均衡”的張拉次序。

這些認(rèn)識，在世業(yè)洲互通的設(shè)計施工過程中得到及時貫徹和應(yīng)用，通過預(yù)應(yīng)力張拉施工過程的監(jiān)控，以及成橋后三年來的多次觀測，證明效果良好，可供國內(nèi)工程師在類似橋梁建設(shè)中參考。

參考文獻(xiàn)

[1]邵容光，夏淦．混凝土彎梁橋[M]．北京：人民交通出版，l994

[2]孫廣華．曲線橋計算[M]．北京：人民交通出版社，l995

[3]邢靜忠，王永崗，陳曉霞．ANSYS7．0分析實例與工程應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003

[4]  胡豐玲．連續(xù)彎箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次序研究[D]．南京：東南大學(xué)，2004

[5]  Samaan M，Kennedy J B，Sennah K．Dynamic analysis of curved continuous multiple—box girder bridges[J]．Journal of    Bridge Engineerin9，2007，12(2)：184—193

[6]  晏致濤，王繼成，李正良，等．后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁張拉有限元分析[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2003，25(6)：62—66

[7]李新平，任華．曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力作用的仿真分析[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，32(12)：47—50

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)