連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力損失對零號塊軸力影響研究

李 勇

(大西鐵路客運專線有限責(zé)任公司，山西 太原 030001)

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連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力損失對零號塊軸力影響研究

李 勇

(大西鐵路客運專線有限責(zé)任公司，山西 太原 030001)

以河北省石家莊市實際工程為例，介紹了引起預(yù)應(yīng)力損失的主要因素，利用有限元軟件系統(tǒng)地分析了橋梁各施工階段0號塊的預(yù)應(yīng)力損失，得出了損失規(guī)律，為該類橋梁的設(shè)計和施工提供了數(shù)據(jù)支持。

連續(xù)梁，懸臂法施工，預(yù)應(yīng)力損失，有限元模型

0 引言

隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，連續(xù)梁橋成為了鐵路橋梁中常見的橋型之一，而其結(jié)構(gòu)的安全性能也成為了各位學(xué)者普遍關(guān)注的問題之一[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，目前國內(nèi)外已建成運營的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋經(jīng)常出現(xiàn)的病害為開裂和跨中撓度過大，特別是后期的梁體開裂后，其變形發(fā)展迅速嚴重程度遠遠出乎學(xué)者們的預(yù)料，并且在長時間內(nèi)難以達到穩(wěn)定狀態(tài)[2，3]。針對這些病害產(chǎn)生的原因，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多研究，但對病害產(chǎn)生的機理尚未達成共識[4-6]。不過，有一點是各位學(xué)者都比較認可的，那就是預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律的不確定性是造成上述病害的主要因素之一[7]。

本文以河北省石家莊市石濟客專引入石家莊樞紐工程上跨石家莊東二環(huán)(48+80+48)m雙線連續(xù)箱梁為例，利用有限元軟件系統(tǒng)地分析了在橋梁各施工階段0號塊的不同的預(yù)應(yīng)力損失，給出了損失規(guī)律，為該類橋梁的設(shè)計和施工提供了數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

石濟客專引入石家莊樞紐工程上跨石家莊東二環(huán)(48+80+48)m雙線連續(xù)箱梁位于石家莊市境內(nèi)，如圖1所示。梁全長177.5 m，連續(xù)梁頂面寬12.2 m，橋面中心至擋砟墻內(nèi)側(cè)4.5 m。連續(xù)梁采用LXQZ球型鋼支座，固定支座設(shè)在185號墩上。梁體混凝土為C50混凝土；縱(橫)向采用公稱直徑15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。

2 預(yù)應(yīng)力損失因素

根據(jù)JTG D62—2004公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土的預(yù)應(yīng)力損失主要影響因素如表1

所示。

表1 引起預(yù)應(yīng)力損失的主要因素

3 有限元模型

3.1 材料

連續(xù)梁橋的材料如表2所示。

表2 橋梁中主要材料力學(xué)性能表

3.2 荷載

在連續(xù)梁懸臂施工階段，由于掛籃的作用，現(xiàn)澆梁體是不受力的，這部分的自重主要通過掛籃傳遞給已經(jīng)澆筑完成的梁體；同樣，在梁體預(yù)應(yīng)力張拉錨固階段，已澆筑完成梁體承受梁體的自重、掛籃自重和預(yù)應(yīng)力等荷載的共同作用。

3.3 施工階段定義

根據(jù)石濟客專引入石家莊樞紐工程上跨石家莊東二環(huán)(48+80+48)m雙線連續(xù)箱梁設(shè)計資料，該橋施工階段定義如表3所示。最終建立該橋的數(shù)值模型如圖2所示。

4 多跨連續(xù)梁橋主要設(shè)計參數(shù)的分析

4.1 預(yù)應(yīng)力損失的參數(shù)計算

4.1.1 短筋T1預(yù)應(yīng)力損失

表3 施工階段劃分

對短筋T1在四種情況下的預(yù)應(yīng)力損失進行分析，如圖3所示。

通過對短筋T1的分析可得結(jié)論如下：

1)在施工持續(xù)時間為7 d,10 d,12 d以及15 d的情況下預(yù)應(yīng)力損失最終結(jié)果相差不大，預(yù)應(yīng)力損失的快慢在前期施工中有較大差別。

2)在A0～A3的施工階段中，施工持續(xù)時間越長預(yù)應(yīng)力增長越快。在A3～A5的施工階段中，施工時間長的工序預(yù)應(yīng)力增長較慢，考慮原因，主要是預(yù)應(yīng)力松弛損失只要與時間是正相關(guān)，大約在張拉30 d后，達到穩(wěn)定不再增加，預(yù)應(yīng)力筋前期的預(yù)應(yīng)力損失主要來自于預(yù)應(yīng)力松弛。

3)在A5～A11懸澆段施工階段，各施工持續(xù)時間下，預(yù)應(yīng)力損失增長較快，但預(yù)應(yīng)力損失與持續(xù)時間的長短相差不大，主要原因是混凝土達到齡期后，混凝土的收縮徐變發(fā)展較為緩慢，而松弛損失，已經(jīng)不再變化，松弛損失和混凝土的收縮徐變是造成預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失的主要原因。

4.1.2 長筋T11預(yù)應(yīng)力損失

對長筋T11在四種情況下的預(yù)應(yīng)力損失進行了分析，如圖4所示。

通過對長筋T11的分析可得結(jié)論如下：

1)長筋T11在A10，A11的施工過程中持續(xù)時間越長預(yù)應(yīng)力損失越多，施工持續(xù)時間為15 d的預(yù)應(yīng)力損失最快。

2)懸澆段施工完成后，預(yù)應(yīng)力損失增長變得緩慢，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知是混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失變小造成的。

3)在中跨合龍時，長筋T11的預(yù)應(yīng)力損失加劇，但是主要受時間影響較大，施工持續(xù)時間越長，在該持續(xù)時間內(nèi)發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失越小。

4)中跨合龍后預(yù)應(yīng)力損失增長緩慢，拆除模板后，預(yù)應(yīng)力損失會有少許減少。

5)施工持續(xù)時間較長，最終的長筋預(yù)應(yīng)力損失反而較小一些。

4.2 0號塊受力分析

本文主要研究預(yù)應(yīng)力損失對0號塊的軸力變化引起的開裂。本項目主要采用后張法張拉預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力損失大約占到長拉應(yīng)力的15%。預(yù)應(yīng)力損失與0號塊正應(yīng)力變化情況如圖5所示。不同施工持續(xù)時間軸力值如表4所示。

表4 不同施工持續(xù)時間軸力值

施工持續(xù)時間/d最大軸力值/kN最小軸力值/kN7-17．372-15．41610-17．835-15．67012-18．152-15．43715-20．854-16．712

通過對圖5和表4可得如下結(jié)論：

1)當(dāng)0號塊預(yù)應(yīng)力損失為0時，連續(xù)梁0號塊的大分應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主，局部個別區(qū)域會出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，這個是由于在結(jié)構(gòu)邊界處，梁體施加荷載產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)或是由于結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)角引起的。

2)當(dāng)0號塊預(yù)應(yīng)力損失為10%時，與預(yù)應(yīng)力損失為0相比，對于0號塊底板的縱向應(yīng)力來說，其應(yīng)力變化幅度較小；對于0號塊頂板的縱向應(yīng)力來說，其應(yīng)力平均值變化減小，這主要是因為頂板橫向預(yù)應(yīng)力束的張拉引起的；對于0號塊腹板的縱向應(yīng)力來說，其仍然是以壓應(yīng)力為主要狀態(tài)，但其應(yīng)力均值較小。

3)當(dāng)0號塊預(yù)應(yīng)力損失為20%時，與預(yù)應(yīng)力損失為10%相比，0號塊的局部應(yīng)力狀態(tài)進一步發(fā)生了改變，主要體現(xiàn)在，頂板區(qū)域的局部混凝土逐漸開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，且其余部分壓應(yīng)力變小，并向拉應(yīng)力狀態(tài)發(fā)展；腹板部分區(qū)域的混凝土壓應(yīng)力逐漸減小，甚至個別區(qū)域已經(jīng)趨近于0應(yīng)力，腹板處的壓應(yīng)力儲備已經(jīng)逐步消耗完畢。

4)模擬結(jié)果可知，混凝土收縮徐變引起的0號塊的軸力最大值發(fā)生在節(jié)點92處，最小的均在節(jié)點101處，從表5中可以看出混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失受施工持續(xù)時間影響較大。施工持續(xù)時間越長混凝土收縮徐變引起的壓應(yīng)力越大。

5 結(jié)語

利用MIDAS/Civil模擬分析了連續(xù)梁懸臂澆筑過程中，由于預(yù)應(yīng)力損失引起的0號塊的應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

1)預(yù)應(yīng)力筋在各施工階段的預(yù)應(yīng)力損失除受施工階段的影響外還與施工持續(xù)時間有關(guān)，施工持續(xù)時間長的預(yù)應(yīng)力開始的時候損失快。預(yù)應(yīng)力損失主要發(fā)生在懸澆段的施工和合龍段的施工，總的預(yù)應(yīng)力損失隨預(yù)應(yīng)力鋼束長度的增加而減少，施工持續(xù)時間越長，預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)應(yīng)力損失越小，但總的差距很小，短筋幾乎可忽略。張拉腹板筋和底板筋對頂板筋預(yù)應(yīng)力損失影響較小。

2)預(yù)應(yīng)力損失對0號塊應(yīng)力影響很大。隨著預(yù)應(yīng)力損失增大，軸向壓應(yīng)力逐漸減小，混凝土面臨開裂的威脅。除了預(yù)應(yīng)力以外，混凝土的收縮徐變也會影響0號塊的軸力變化。施工持續(xù)時間影響了混凝土的收縮徐變對0號塊的軸力大小的變化。持續(xù)時間越長0號塊的軸向壓應(yīng)力越大。

[1] 鄒 偉．大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工應(yīng)力監(jiān)控的研究[D]．長春：吉林大學(xué)，2014.

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Study on the impact of continuous bridge beam prestress loss upon zero-block axial force

Li Yong

(Da-XiRailwayPassenger-SpecialLineLtd,Taiyuan030001,China)

Taking Shijiazhuang actual engineering in Hebei province as an example, the paper introduces major factors leading to prestress loss, analyzes zero-block prestress loss at bridge construction phases by applying finite element software, and obtains the loss law, which has provided data support for similar bridge design and construction.

continuous beam, cantilever construction method, prestress loss, finite element model

1009-6825(2017)14-0163-03

2017-03-01

李 勇(1973- )，男，高級工程師

U448.215

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