典型先簡支后連續分布式箱梁橋施工過程仿真分析

成 崗

(湖南路橋建設集團公司)

0 引 言

預應力混凝土簡支連續多箱式橋梁兼有先簡支后連續體系橋梁和箱梁橋受力上的特點,且是一多主梁的形式,受力情況比較復雜。橋梁在不同施工階段的受力特點、各個單體小箱梁內部的受力特性、橋梁在體系轉換時的受力性能、橋梁完成由個體到整體施工過程后受力性能的改變、車輛荷載在各個不同梁間的分配等都是共同關心而未得到很好解決的問題,為保證橋梁結構的安全和經濟,對這些問題進行研究,跟蹤分析橋梁結構的整個施工過程,具有重要的意義。

1 工程概況

某高速公路上一座 5跨 25m先簡支后連續分布式箱梁橋為分布式小箱梁橋,寬 11.5m,橫向布置為 4片小箱梁, 5跨一聯。圖 1示出了分布式箱梁橋的整體布置情況。小箱梁梁高 140cm,在跨中處為標準斷面,頂板、底板、腹板厚均為18cm,支點處底板和腹板加厚至25cm。兩者之間有一個 1.5m長的直線漸變段。箱梁材料采用 50號混凝土。

圖1 橋粱總體布置圖

2 先簡支后連續分布式箱梁橋施工工序

先簡支后連續分布式箱梁橋施工過程大體來說分為以下 3個階段。

(1)預制簡支階段:該階段的主要工作是,在施工場地內預制小箱梁,并張拉正彎矩區預應力索(腹板預應力束),進行孔道壓漿,同時在梁端頂板預留負彎矩束的孔道,養護成型后,安放臨時支座,將梁吊裝到臨時簡支狀態。

(2)體系轉換階段:該階段的主要工作是,安放橋梁永久支座,澆濕接頭和部分防水混凝土,張拉負彎矩區鋼束(頂板預應力束),并拆除臨時支座。該階段中,濕接頭的澆筑和負彎矩區預應力鋼束的張拉順序以及臨時支座的拆除順序將對結構最終的成橋內力會產生一定的影響。但一般在施工中都是逐跨進行現澆濕接縫,張拉預應力束的,臨時支座的拆除策略也大體相同。

(3)成橋階段:該階段的主要工作是,在各聯施工結束后,焊接橫向連接構件,現澆各片小箱梁之間的橫向聯系,現澆橋面鋪裝混凝土、防水層和瀝青橋面以及防撞護欄等,最終達到成橋狀態。

3 后連續端混凝土澆筑與預應力張拉仿真分析

數值模擬嚴格根據現場的施工工藝順序進行。即一個端部澆筑完畢待混凝土強度達到 100%時,進行該端部后連續頂板預應力束的張拉。逐跨進行。分析時,按截面形式不同對邊梁和中梁分別計算。

3.1 結構分析模型

有限元建模時,首先建立 5跨箱梁的整體模型,視施工情況進行單元的安裝、預應力束荷載效應的施加和約束條件的轉換以模擬施工過程。

3.2 計算結果分析

圖2為 1-2跨后連續端預應力張拉后相鄰兩跨箱梁底板中點的撓度曲線,可以看出:利用平面桿系程序與虛擬層合單元USAF程序計算得到的撓度值相差在5%左右,USAP的計算值更大一些;在邊梁各跨的跨中,上撓2.5mm左右;而中梁上撓 3.0mm左右,兩者差異的原因在于邊梁的截面較大一些。

圖2 各梁第一個端部(1,2跨連續端)張拉引起的結構位移

對邊梁和中梁,在相鄰兩跨的跨中,頂板預應力束的張拉會在其上緣產生約1～1.5MPa的拉應力(而臨時簡支階段完成時尚有 1～2MPa的壓應力儲備,因此,該處不會出現拉應力過大的情況)。在后連續的端部,計算結果表明,該端部預應力張拉時的儲存了 5～5.5MPa左右的壓應力,這也是后連續的意義所在,它為永久支座處頂面承受二期恒載和成橋后的活載作用提供了一定的彈性壓縮儲備。

同樣,考查截面上、下緣的平均應力,可以發現中梁的應力水平要略大于邊梁,這與中梁截面偏小有關。對于邊梁,由于結構及受力的不對稱,其應力沿橫向的分布也不對稱,但在各跨的跨中,基本為一直線,這主要反映了箱梁自由扭轉的影響,而在支點處,從邊翼緣到內翼緣,應力分布成了一條加速增長的曲線,這除了箱梁的自由扭轉效應外,結構的不對稱和支座的影響也是一個原因。對中梁,由于結構、荷載、約束本身基本上都是對稱的,因此其應力分布也是對稱的,且基本上為一均勻的直線,這說明對于該類箱梁,剪力滯等效應并不明顯。

4 臨時支座拆除過程結構仿真分析

在所有后連續端混凝土澆筑和預應力張拉完畢后。由于在連接端頂板預應力束張拉完畢后,結構已經由各跨臨時簡支時的靜定結構體系轉化為各跨連續且支承點很多的超靜定結構體系,支座的拆除順序就將對結構最后的應力和位移結果產生一定的影響。本節中,按照橋梁的實際臨時支座拆除次序,即從 1-5跨逐跨拆除臨時支座,對結構進行仿真分析,以得到橋梁實際的受力狀態。

如圖 3所示,臨時支座拆除所引起的五跨一聯小箱梁的撓度變化曲線。圖中,工況 1代表 1#,1'#臨時支座拆除;工況 2代表 1#,1'#,2#,2'#臨時支座拆除;工況 3代表 1#、1'#～3#,3'#險時支座拆除,工況 4代表 1#、1'#～4#,4'#臨時支座拆除。撓度的取值節點為箱梁底板的中點。

從圖 3中可以看出,臨時支座的拆除(永久支座的安裝)引起了較大的結構撓度。這種影響僅是在相鄰的兩跨內比較明顯,在其他跨內,影響迅速衰減。第一個臨時支座的拆除影響最大:對邊梁,臨時支座的拆除在第一跨引起了3mm左右的下撓,而對中梁,相應位置的下撓為 2.5mm。而對 2,3,4跨,由于受前一跨相鄰支座拆除的影響,以及本跨內相鄰支座的拆除影響,其撓度分布為前半跨上撓,而后半跨下撓,并且撓度的數值大大降低.對最后一跨,由于沒有出現臨時支座脫空的情況,拆除的臨時支座基本對稱,結構引起的正負撓度效應基本抵消,因此,總的結構撓度效應很小;由此,可以認為,選擇合理的頂端預應力束張拉順序,盡量合理的安排工序,使得張拉完畢后,各臨時支座不出現脫空的現象,同時拆除的兩臨時支座的支承反力相差不大,應當作為進行連續端混凝土澆筑和預應力束張拉順序優化的一個目標。

5 二期恒載(橋面鋪裝、欄桿等)施工過程仿真分析

在各箱梁間橫向聯系現澆帶施工完成后,橋梁便成為了一個整體承受將來的二期恒載和運營階段的汽車等荷載。由圖4可知:

(1)在橋面鋪裝荷載作用下,邊梁和中梁均產生了約2mm的豎向撓度(邊跨),其撓度沿縱向的分布一如在均布線荷載下的梁的撓度曲線;

(2)在邊跨的下緣,跨中部位最大產生了約 1MPa的拉應力,而在各支點處,則產生了近2MPa的壓應力;截面上緣的附加應力水平稍低,在各跨的跨中處,有0.5MPa的壓應力,而在支點截面,應力水平很低。對結構的受力是有利的;

(3)在均勻的橋面鋪裝荷載作用下,箱梁上緣截面的縱向應力沿橫向的分布總體均勻,但在邊梁位置處也有從邊翼緣向中翼緣增大的趨勢。

圖4 橋面佑裝安裝后結構挽度和應力的分布

邊梁邊跨跨中在單梁單跨簡支、五跨連續以及成橋狀的約束條件下,在結構自重荷載作用下,跨中應力的分布情況,可以得出隨結構規模的擴大,縱向和橫向聯系的增加,空間效應明顯減小。在 5跨連續的狀態下,結構邊跨跨中、中跨跨中以及次邊跨中的應力分布情況,我們得出隨著兩邊配跨數目的增加,應力的空間效應也有所減小。

6 結 語

預應力作為一種重要的手段,在控制裂縫,提高橋梁的使用性能和方便橋梁的維護方面有著廣泛的應用。但是,預應力效應的分析理論仍然存在著較大的局限,目前多數結構均為平面分析方法,本文利用其對一座先簡支后連續分布式預應力混凝土箱梁橋的施工過程進行了詳細的仿真分析。

[1] 陳強.先簡支后連續結構體系研究.浙江大學,2002.

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