預應力砼單箱多室超寬梁橋空間受力性能分析

藍明祥

（新疆興亞工程建設有限公司，新疆烏魯木齊 831100）

預應力砼單箱多室超寬梁橋空間受力性能分析

藍明祥

（新疆興亞工程建設有限公司，新疆烏魯木齊 831100）

以某單箱多室預應力砼超寬箱梁橋為工程背景，基于箱梁橋的梁格、梁板及實體有限元模型，結合實際施工步驟，重點研究超寬箱梁橋的空間力學特性。結果表明，超寬箱梁端橫梁附近區域在施工階段的應力水平均較高，正應力與主拉應力較大，施工階段的應力水平受預應力束張拉次序影響較大，需嚴格控制施工順序并對局部區域的普通鋼筋進行加強處理，以控制箱梁裂縫的萌生及發展；同時為確保結構安全，需采用空間模型對橋梁的施工過程進行校核。

橋梁；超寬箱梁；預應力施工；受力性能

預應力砼單箱多室寬箱梁橋因具有耐久性能良好、縱橫向受力合理、施工養護方便等優點，在城市橋梁建設中得到廣泛應用。為了減輕該類箱梁橋的自重，通常將其頂、底腹板進行薄化處理，并配備寬翼緣，組成大懸臂薄壁箱形結構。因預應力砼寬箱梁橋的懸臂過長、寬跨比及腹板間距過大，現行橋梁規范均無法完全滿足其設計與施工要求。目前，關于寬箱梁結構應力的計算大多采用初等梁理論，但該理論無法詳細反映箱梁的內部受力情況，不能準確分析箱梁的彎曲、畸變、剪力滯等力學效應，致使設計方面經常出現缺陷，導致橋梁在使用過程中產生局部開裂病害，嚴重影響橋梁結構的運營安全和使用壽命。

該文以某單箱五室預應力砼寬箱梁橋為例，分別建立施工階段的梁格、梁板及實體有限元計算模型，對其空間受力性能進行對比分析，得到其主要受力特征，為同類橋梁的合理設計提供借鑒。

1　工程概況

某預應力砼寬箱梁橋全長89.2m，跨徑組合為（29.6+30+29.6）m，梁體采用單箱五室結構。跨面寬為25m，底板寬為19m，跨中腹板和支點厚度分別為0.5、0.7m。箱梁縱橫向預應力束布置如圖1～3所示，錨固構造如圖4所示。

1#～6#腹板布置預應力鋼束17φs15.24共36束，編號為N1～N6，各6束。按照鋼束的縱向布置形式，將N1～N6分成N1和N2、N3和N4、N5和N63組，各組與梁端的間距分別為4.3、2.8、0.8m，

圖1　箱梁縱向預應力束布置示意圖（單位：cm）

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圖2　箱梁跨中截面預應力束布置示意圖（單位：cm）

圖3　箱梁支點截面預應力束布置示意圖（單位：cm）

圖4　箱梁預應力束錨固構造（單位：cm）

箱梁部分采用滿堂支架立模現澆施工，砼分2次進行澆筑，第1次澆筑箱梁的底板、腹板和部分橫墻，以形成槽形開口箱；第2次澆筑箱梁的頂板、翼緣板等剩余部分。

2　有限元模型

該橋的跨徑為30m，梁高為1.5m，橋面寬為25m，與雙向板的受力特征相似，普通單梁格法無法滿足計算要求。因此，在MIDAS的基礎上采用梁格法和板梁耦合法進行分析。因MIDAS無法準確計算施工階段箱梁腹板底部的應力結果，運用Abaqus對橋梁進行實體有限元計算分析。

2.1梁格模型

主梁截面通過MIDAS劃分成6個梁格單元，跨中截面的劃分如圖5所示。

圖5　主梁橫截面梁格單元劃分

以精細、準確為原則，對主梁縱向網格進行劃分，跨中部分各梁段的網格密度均為2m；支座附近梁段，由于需考慮支座定位、預應力筋錨固、破壞位置等因素的影響，將其網格進行細分，邊梁附近1.5 ～4.3m范圍內梁段網格細分為4×0.25m+6× 0.3m。梁支座使用彈性連接，功能僅設置為受壓；虛梁選取工字形截面，腹板厚度設為1mm，翼緣厚度取主梁頂、底板的厚度，并通過截面調整系數將其自重調整為零。

2.2梁板模型

梁板模型采用板單元模擬主梁的頂、底板，采用梁單元模擬主梁腹板，并通過剛性連接將梁、板單元組成整體，以位移變形協調條件來滿足共同受力。梁板模型的截面形式和應力計算點如圖6所示。

圖6　板梁模型截面及應力分布示意圖

依據支座中心、預應力筋錨固及主梁變截面將支座附近網格進行劃分，其中跨中部分梁段的網格密度為1m；支座附近的梁端，同樣需考慮支座定位、預應力筋錨固、破壞位置等因素的影響，按照梁格模型中支座附近梁段進行網格劃分。采用剛性連接將主梁頂、底板組成一個整體，并按相對位置進行建模。另外，變厚度翼緣板和變截面厚度均采用平均厚度等效。

2.3空間實體有限元模型

運用Abaqus建立主梁結構空間實體三維模型（如圖7所示），砼采用三維可變性實體C3D10M單元模擬，預應力筋采用三維線性桁架T3D2單元模擬。將距梁端1.5～4m范圍內關心變腹板區段的網格細化，網格密度設為0.25m，其余部分網格密度設為0.5m。考慮到各梁段中橫縱預應力鋼束產生的有效預應力存在較大差異，對其簡化后，僅取所關心變腹板區段的平均有效預應力。運用MIDAS對預應力損失值進行計算，得出縱、橫向關心截面考慮預應力的損失分別為28%、29.5%，損失值分別為1004.4、983.48MPa。

圖7　空間實體有限元模型

實體模型中除采用固定支架的左橋墩需對其縱橋向、豎向位移進行約束外，其余支座只需將其豎向位移進行約束。為保證實橋模擬的準確性，取橋墩相應位置9個節點，并將其橫橋向位移進行約束。

3　模型計算結果

工序劃分如下：1）支架的現澆及主梁施工；2）張拉端橫梁部位的預應力束N1、N2；3）依次張拉1#和6#、2#和5#、3#和4#腹板對應的N1～N6預應力束；4）張拉端橫梁部位的預應力束N3、N4。

對于靠近支座的梁段，由于端橫梁的寬度為1.5m，不考慮距梁端1.75m范圍內的應力。

3.1梁格模型

完成工序2（張拉端橫梁部位的預應力束N1、N2）和工序4（張拉端橫梁部位的預應力束N3、N4）后，梁格模型中箱梁各單元截面的應力分布分別如圖8、圖9所示。

從圖8可以看出：箱梁的正應力和主拉應力主

圖8　工序2完成后梁格模型箱梁的應力分布（單位：Pa）

圖9　工序4完成后梁格模型箱梁的應力分布（單位：Pa）

要存在于距離梁端1.75～11m范圍內的6#號腹板底部，其中正應力最大值為2.222MPa；端橫梁預應力筋錨固點（有應力集中現象）和關心節段內主拉應力的最大值分別為3.819、2.222MPa，均處于離梁端4～5m范圍內。

從圖9可以看出：箱梁的最大正應力和主拉應力都處于端橫梁預應力筋錨固端，分別為1.968、3.303MPa，因存在應力集中現象，對其不予考慮。關心梁段的最大主拉應力處于距梁端2.8m處，為0.602～1.877MPa；關心節段的最大主應力處于距梁端1.75m處，為-1.03～0.981MPa。

3.2梁板模型

在完成工序2、工序4后，梁板模型的應力分布分別如圖10、圖11所示。

圖10　工序2完成后梁板模型箱梁的應力分布（單位：Pa）

圖11　工序4完成后梁板模型箱梁的應力分布（單位：Pa）

從圖10可以看出：端橫梁部位的預應力筋N1、N2完成張拉后，箱梁的最大正應力和主拉應力的分布情況與梁格模型類似，同樣都處于端橫梁預應力筋的錨固點，分別為2.57、3.98MPa，不予考慮；關心梁段的正應力水平為1.06～1.31MPa，且應力最大點位于2～2.5m區段；梁段的主拉應力水平為1.065～1.305MPa，主拉應力最大點位于2～2.3m區段。

從圖11可以看出：正應力和主拉應力的極值點均出現在箱梁端部的預應力束錨固位置，最大正應力為4.10MPa，最大主拉應力為5.98MPa；關心梁段的正應力水平為-0.88～3.14MPa，最大拉應力出現在錨后約2.78m處；最大主拉應力水平為1.17～3.15MPa，最大主拉應力位置與最大正應力位置相吻合。

3.3實體模型

運用Abaqus建立考慮施工階段的寬箱梁實體有限元模型，對箱梁受力進行模擬。完成工序2中部分橫梁預應力束張拉和工序4后，箱梁實體模型對應的應力分布分別如圖12和圖13所示。

從圖12可以看出：邊腹板在梁端附近區域的正應力水平較高，均在0.85MPa以上。受梁端預應力束錨固的影響，應力值大于1.15倍砼軸心抗拉強度區域內的應力較為復雜，而距端橫梁0.5～2.0m區域的主拉應力值達0.9MPa以上，該梁段范圍內受力較為不利。

圖12　工序2完成后實體模型箱梁的應力分布（單位：Pa）

從圖13可以看出：在完成箱梁預應力張拉后，邊腹板在梁端附近區域內的應力水平明顯提高，距端橫梁0.25～2.0m區域梁段的正應力均大于1.53MPa，距端橫梁0.25～2.25m區域梁段的主拉應力均大于1.60MPa。

3.4計算結果對比分析

基于箱梁橋梁格模型、梁板模型和實體模型的施工階段模擬，對箱梁邊腹板距離箱梁1.5m厚端梁0.25～2.5m范圍內的正應力和主拉應力進行對比分析，工序2、工序4完成后的應力結果分別如表1、表2所示。

圖13　工序4完成后實體模型箱梁的應力分布（單位：Pa）

從表1可看出：在完成第一批橫向預應力束張拉后，各箱梁模型中均出現很高的正應力和主拉應力水平，關心梁段的安全系數較低。針對實體模型存在的錨下局部應力集中情況，在距端橫梁0.25～0.75m區段選取腹板底部應力作為標準。梁格模型的正應力水平為0.729～2.01MPa，梁板模型的正應力水平為1.06～1.29MPa，實體模型的正應力水平為0.687～3.02MPa，與之對應的主拉應力水平分別為0.752～2.058、1.068～1.306及0.692～4.87MPa。

表1　工序2完成后箱梁的應力對比

表2　工序4完成后箱梁的應力對比

從表2可以看出：在完成全部腹板預應力束及橫梁第二批預應力束張拉后，不同計算模型對應的箱梁正應力和主拉應力水平有所不同，梁格模型、梁板模型和實體模型的正應力分別為-2.21～0.982、-0.864～3.140、-0.768～4.639MPa，對應的主拉應力分別為0.431～1.857、1.157～3.132 和1.705～5.628MPa，其中實體模型主拉應力在橫梁附近區域受局部應力影響。

4　結論

（1）距端橫梁0～2.5m區段內的施工階段應力水平較高，且縱向預應力束錨后局部影響區域內的主拉應力明顯大于其他區域，受力極為不利，需對預應力施工順序進行嚴格控制，同時加強該區域普通鋼筋布置，以減少裂縫的產生和發展。

（2）對于超寬箱梁橋，其梁端附近的局部區域如仍采用常規二維平面模型進行計算，將存在明顯誤差，宜采用空間模型分析，確保箱梁結構局部區域的安全。

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U441

A

1671-2668（2016）04-0163-06

2016-04-19錨固處與橋面的間距均為0.2m。在12#墩每個橫隔梁上各布置9φs15.24鋼絞線4根，編號為N1～N2；在13#、14#墩每個橫隔梁上各布置9φs15.24鋼絞線4根，編號為N1～N4。預應力筋采用強度為1860MPa的低松弛鋼絞線，張拉控制應力為1395MPa。砼采用C50強度砼。

2016-03-06