簡支轉連續梁橋施工過程截面應力分析

賈艷敏，郭東升，陶永靖

(1．東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040;2．遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110100)

簡支轉連續梁橋施工過程截面應力分析

賈艷敏1，郭東升2，陶永靖1

(1．東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040;2．遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110100)

以寶貝河大橋第三聯為工程背景，實測簡支轉連續梁橋各施工階段跨中及支點截面應變，并利用Midas/Civil有限元軟件建立橋梁模型，按照現場施工工序模擬橋梁施工過程。結果顯示:跨中截面在整個施工階段受力合理，結構安全;唯在張拉負彎矩鋼束前支點截面處于不利的受力狀態，建議在設計及施工過程中對該位置加以關注。

簡支轉連續 施工過程 應力分析

先簡支后連續的建橋方法兼顧了簡支梁橋和連續梁橋的優點，其數量在我國混凝土梁橋中占相當大的比重。這種結構形式施工周期短而且不用滿堂支架，從而減小施工對交通的影響，所以在許多橋梁中得以優先考慮［1-2］。連續梁在各種恒載及活載的作用下，其正彎矩區梁體下緣受拉、上緣受壓，能夠充分發揮鋼筋和混凝土這兩種材料各自的性能，而負彎矩區的受力正好與其相反，表現為上緣受拉而下緣受壓，這就需要在T梁頂緣的翼板中布置預應力鋼束，從而改善其受力性能［3-4］。跨中截面和支點截面分別為這兩個區域內最具代表性的截面，因此了解這兩個截面的應力狀況，有助于分析橋梁整體受力。

本文以呼朔高速公路呼和浩特至殺虎口段和托連接線上K45+191處寶貝河大橋為依托，從簡支架設主梁到施工成橋的各施工階段，對跨中截面及支點截面進行應變實測，結合Midas/Civil有限元模型計算值對施工全過程中兩截面應力進行分析。

1 工程概況

寶貝河大橋為三聯10跨預應力混凝土連續T梁橋，試驗取第三聯(8，9，10三跨)的支點、跨中截面進行應變測量。橋梁跨徑40 m，橋寬12.25 m，采用C50混凝土，標準抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線，先簡支后連續方法施工。施工過程為:簡支架設各跨主梁→澆筑中橫梁→依次張拉負彎矩鋼束→縱向濕接縫施工→體系轉換(拆除臨時支座)→施工防撞欄桿及橋面鋪裝。試驗段總體布置見圖1。

圖1 第三聯總體布置(單位:cm)

在主梁B-B及C-C截面如圖2中1，2，3，4位置處埋置縱向混凝土應變計;在中支點A-A截面如圖3中1，2，3位置處埋設應變計，并在橋梁施工各階段對以上應變計進行跟蹤測量，獲取實測數據。

圖2 跨中截面應變計測點布置(單位:cm)

圖3 支點截面應變計測點布置(單位:cm)

2 Midas/Civil有限元模型建立

2.1 梁格法簡介

計算模型采用梁格法建立，梁格法的基本思路就是用等剛度的梁格來代替上部結構［5］，要求當實際橋梁結構區段和對應的梁格作用相同荷載時兩者的撓曲變形相等，并且梁格所受的彎矩、剪力、扭矩都可以代替實際結構對應區段內力。此方法對于一般橋梁的結構計算完全可以滿足工程需求［6］。

2.2 模型建立

用梁格法對三跨簡支轉連續T形梁橋上部結構的施工過程進行模擬，為保證模型計算結果能夠較準確地反應結構的實際受力，模型尺寸、材料、施工過程等都嚴格按照現場實際情況進行模擬。

模型主梁為空間梁單元，在墩頂部分適當地細化單元;為更好地模擬主梁之間的橫向連接，翼緣板與主梁剛性連接且主梁橫向除建立橫隔板聯系外還建立虛擬聯系單元，濕接縫與主梁為鉸接，于是該處單元在橫向要釋放梁端約束。結構承受自重、施工荷載、預應力荷載，邊界條件用一般支承進行模擬。

3 計算結果與實測數據的比較和分析

3.1 計算值與實測值比較

通過有限元模型計算得出A-A，B-B，C-C截面內應變計位置在成橋狀態下的應力值，并與現場實測數據進行對比分析，見表1、表2、表3。

表1 A-A截面應力對比

由以上表中的數據比較可知，A-A，B-B，C-C截面內應力有限元模型計算值與現場實測值吻合良好，誤差最大值為8.89%。由此認為所建立的有限元模型正確合理，能夠反應結構實際的受力狀態，為本文的分析提供了可靠依據。

表2 B-B截面應力對比

表3 C-C截面應力對比

對比表中數據可以看出，成橋狀態下跨中截面及支點截面均為受壓狀態，跨中截面壓應力明顯大于支點截面，且支點截面壓應力上緣大下緣小，跨中截面上緣小下緣大。對比表2、表3數據可知，中跨及邊跨的跨中截面應力均呈線性變化，結構受力安全，由于預應力鋼束的影響，使邊跨跨中截面(C-C)上緣應力大于中跨(B-B)，而下緣應力小于中跨。

支點截面應力大小由張拉負彎矩鋼束產生的壓力和未張拉時結構的拉力共同提供，負彎矩鋼束的合理設計能夠很好地限制支點截面拉應力的產生，進而避免橋面裂縫的出現［7］，由表中數據可知，A-A截面沒有拉應力產生，所以該橋梁負彎矩預應力鋼束設計合理。成橋狀態下支點截面處于全截面受壓狀態，壓應力在2.0～4.3 MPa之間，發揮了混凝土抗壓性能好的優點。截面上緣壓應力大，下緣壓應力小，沿梁高呈線性變化，說明截面混凝土處于彈性受力狀態。

3.2 施工過程應力分析

由有限元模型計算得出各施工階段 A-A，B-B，C-C截面內不同高度位置處的應力值，分析截面內不同高度位置的應力在施工過程中的變化情況，圖4為A-A截面內不同高度施工各階段應力值。

圖4 A-A截面應力值

圖5 支點截面各階段應力狀態

由圖4可以看出A-A截面在整個施工階段以受壓為主，在中橫梁澆筑完成后，結構由各跨主梁簡支狀態轉換為多次超靜定狀態，結構出現負彎矩區，由圖中可知A-A截面應力全部為負值，截面承受的拉應力在0～1 MPa之間。張拉負彎矩鋼束使得應力由拉應力變化為壓應力，截面上緣壓應力增長明顯而下緣只有微小變化，使截面上緣儲存了4 MPa左右的壓應力，它為結構承受二期恒載以及成橋后活載提供了一定的壓應力儲備;這也正體現了后連續的意義［8］。濕接縫使各主梁在橫向上連成一體，從而使受力更加均勻、合理，由于濕接縫的澆筑增大了結構自重，截面上緣壓應力減小。體系轉換過程拆除了臨時支座，引起支點截面較大的應力變化，上緣壓應力增加1.5 MPa左右。二期恒載在結構上施加了較大的均布荷載，使支點截面上緣壓應力減小，下緣壓應力增大，二期鋪裝完成后，支點截面全截面受壓且上下緣壓應力較為接近，在2.0～3.5 MPa之間。

綜合各階段應力狀態可以看出，除在未張拉負彎矩鋼束時支點截面存在拉應力(圖5)外，其他階段截面以受壓為主，受力狀態較合理，所以在負彎矩鋼束全部張拉前，是支點截面的薄弱期，應該嚴格控制其上緣的拉應力，避免裂縫出現。

跨中截面同樣以受壓為主，在張拉負彎矩鋼束完成后，截面上緣有出現拉應力的可能，但數值不大。在體系轉換后，截面內壓應力最大，但其值在混凝土抗壓強度內。

3.3 正應力的橫向分布分析

分析橫向5片主梁(參見圖2)A-A截面梁頂位置及C-C截面梁底位置在不同施工階段的應力值，可得主梁正應力在橫向上的分布規律。

5片主梁各施工階段支點截面頂緣應力基本相同，說明各主梁支點及跨中截面受力狀況相近，邊梁(1，5號)應力略大于中梁(2，3，4號)是因為邊梁外側翼緣板比中梁短，故截面面積較小，應力變大。對于各中梁，由于結構、荷載、約束一致其應力狀態也是相同的。

4 結論

1)簡支轉連續T形梁橋支點截面在施工過程中應力以受壓為主，只有在張拉負彎矩鋼束前截面上緣會出現拉應力，鑒于混凝土抗拉強度很低，在設計時應注意該處配筋，施工時在張拉負彎矩前也應該關注該截面。

2)簡支轉連續T形梁橋跨中截面在施工過程中承受較大的壓應力，只有在負彎矩鋼束全部張拉完成后，截面上緣會出現較小拉應力，截面受力狀態良好，結構安全。

3)橋梁施工完成后，支點截面和跨中截面全截面受壓，應力沿梁高線性變化，截面混凝土處在彈性受力階段，且存儲一定的壓應力，為后期承受活載提供一定的應力儲備。

4)截面正應力在橫向上分布較均勻，邊梁應力稍大于中梁。

［1］盛可鑒．簡支轉連續梁橋的幾個關鍵問題研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2013．

［2］姚玲森．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2008．

［3］劉亞楠．城際軌道大跨度連續梁橋應力監控研究［J］．鐵道建筑，2013(3):37-39．

［4］羅凌．懸澆預應力混凝土變截面連續梁橋施工階段及成橋受力分析［J］．工程建設，2013(5):29-33．

［5］譚上俞，梁月華，陶慶東，等．基于梁格理論的梁式橋計算模型簡化方法［J］．重慶交通大學學報(自然科學版)，2012(3):366-368，516．

［6］漢勃利(HAMBLY E C)．橋梁上部構造性能［M］．郭文輝，譯．北京:人民交通出版社，1982．

［7］張軍，張理輕．簡支變連續橋梁墩頂T梁負彎矩鋼束的設計與施工［J］．公路，2012(11):176-181．

［8］楊萬里．簡支連續預應力混凝土多箱式橋梁全過程受力性能研究［D］．杭州:浙江大學，2008．

U445.469

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．04

1003-1995(2015)07-0013-03

2014-08-31;

2015-04-06

賈艷敏(1962— )，女，內蒙古牙克石人，教授，博士。

(責任審編 孟慶伶)