預(yù)應(yīng)力體系對簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋力學(xué)性能影響分析

張 花

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋由于其具有施工簡便、受力性能良好、行車舒適性較高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于高速公路工程中[1-3]，但現(xiàn)役簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋在運營階段出現(xiàn)了諸如主梁梁底開裂[4]、主梁下?lián)稀⒇搹澗貐^(qū)段混凝土開裂等病害，這些病害的出現(xiàn)往往都是由于施工偏差所造成的。針對簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，Hyo-Gyoung Kwak[5]分析了如何控制簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋由混凝土收縮導(dǎo)致支座處混凝土開裂的問題；陳立良[6]等人以巴漏河大橋為依托工程，研究了簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋在施工中容易遇到的問題并且給出相應(yīng)的解決措施與對策。周建庭[7]針對簡支變連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)段容易出現(xiàn)裂縫，從而影響橋梁的整體受力性能的問題，提出相應(yīng)的負彎矩構(gòu)造改進措施。

1 工程概況

1.1 主要設(shè)計標準

（1）橋梁結(jié)構(gòu)形式：4×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁橋（先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)）；（2）設(shè)計荷載：公路一級；（3）橋梁半寬：0.5 m（混凝土護欄）+11.5 m（橋面寬度）+0.5 m（混凝土護欄）；（4）車道數(shù)：雙向四車道；（5）設(shè)計洪水頻率：1/100；（6）設(shè)計車速：80 km/h;（7）地震動峰值加速度系數(shù)：0.05 g。

1.2 橋梁相關(guān)參數(shù)

橋梁主要受力結(jié)構(gòu)為縱向5片主梁，通過橫隔板實現(xiàn)主梁的橫向共同受力，主梁截面見圖1，橋梁預(yù)應(yīng)力張拉參數(shù)見表1，橋梁可變荷載見表2，橋梁永久荷載見表3。

圖1 主梁截面

表1 預(yù)應(yīng)力鋼束建模參數(shù)

表2 可變荷載

表3 永久荷載

1.3 橋梁施工階段的劃分

全橋嚴格按照先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的方式施工。施工階段：階段一：橋梁下部結(jié)構(gòu)施工；階段二：臨時支座的安裝；階段三：主梁吊裝就位；階段四：橋梁橫隔板澆筑；階段五：連續(xù)端濕接縫的澆筑；階段六：更換臨時支座為永久支座，完成結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換；階段七：橋面二期鋪裝。

2 有限元模型的建立

2.1 分析參數(shù)的確定

主要考慮簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)區(qū)段預(yù)應(yīng)力體系偏差對于橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，預(yù)應(yīng)力體系主要包括張拉控制力、管道偏差系數(shù)、局部偏差系數(shù)，各系數(shù)設(shè)計值見表4，取各參數(shù)偏小值為參數(shù)一，取各參數(shù)偏大值為參數(shù)二，各參數(shù)見表5。

表4 預(yù)應(yīng)力體系參數(shù)設(shè)計值

表5 預(yù)應(yīng)力體系敏感性分析參數(shù)值

2.2 建模結(jié)果

Midas Civil全橋有限元模型見圖2。

圖2 全橋有限元模型

3 計算結(jié)果對比分析

3.1 計算結(jié)果

計算各變量Midas Civil有限元模型得出其成橋位移、成橋梁頂應(yīng)力、成橋梁底應(yīng)力。由于計算結(jié)果顯示正彎矩張拉控制力對于橋梁成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較大，僅展示設(shè)計狀態(tài)、1 116 MPa張拉控制力的位移云圖、應(yīng)力云圖，計算結(jié)果見圖3～圖8。

圖3 設(shè)計狀態(tài)成橋位移

圖4 1 116 MPa張拉控制力成橋位移

圖5 設(shè)計狀態(tài)梁頂應(yīng)力

圖6 1 116 MPa張拉控制力成橋位移

圖7 設(shè)計狀態(tài)梁底應(yīng)力

圖8 1 116 MPa張拉控制力成橋位移

由圖3可知，設(shè)計狀態(tài)成橋位移邊跨最大位移值為22.356 mm，中跨最大位移值為18.104 mm，邊跨最大位移值為中跨的123.48%。由圖4可知，在1 116 MPa張拉控制力作用下邊梁最大位移值為8.439 mm，中梁最大位移值為7.636 MPa，邊梁最大位移值為中梁的110.5%。簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋在各種狀態(tài)下均呈現(xiàn)邊跨位移值大于中跨位移值的趨勢，這是由于相對于中跨，邊跨所受到的約束作用較小，因此預(yù)應(yīng)力張拉后其上拱值更大。由圖3～圖4可知，無論是邊跨還是中跨均有邊梁位移值大于中梁位移值的現(xiàn)象，邊跨大于中跨的原因是由于中間跨主梁受到兩側(cè)橫隔板約束而邊梁僅僅受到一側(cè)橫隔板約束，所以邊梁的上拱值更大。由圖5可知，設(shè)計狀態(tài)下梁頂應(yīng)力最大壓應(yīng)力值為29.15 MPa、最大拉應(yīng)力值為-1.29 MPa。由圖6可知，1 116 MPa張拉控制力作用下最大壓應(yīng)力值為29.436 MPa，最大拉應(yīng)力值為-1.3 MPa。由圖7可知，設(shè)計狀態(tài)下梁頂應(yīng)力最大壓應(yīng)力值為9.53 MPa、最大拉應(yīng)力值為-0.3 MPa。由圖8可知，1 116 MPa張拉控制力作用下最大壓應(yīng)力值為9.58 MPa，最大拉應(yīng)力值為-0.319 MPa。

3.2 對比分析

提取張拉控制力、管道摩擦系數(shù)、局部偏差系數(shù)各變化參數(shù)中跨中梁計算結(jié)果與設(shè)計值模型差值見圖9～圖13。

由圖9可以看出，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉控制力偏大時主梁撓度相對設(shè)計值較大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉控制力偏小時，主梁撓度相對設(shè)計值偏小，當(dāng)張拉控制力出現(xiàn)偏差時，主梁撓度變化值呈現(xiàn)邊跨大中跨小的特點，變化撓度變化最值達到14 mm，中跨撓度變化值達到9 mm。由圖10可以看出，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉控制力偏小時，簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋跨中截面梁頂應(yīng)力相對設(shè)計值偏小，梁端連續(xù)端截面梁頂應(yīng)力相對于設(shè)計值偏大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉控制力偏大時，簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋跨中截面梁頂應(yīng)力相對設(shè)計值偏大，梁端連續(xù)端截面梁頂應(yīng)力相對于設(shè)計值偏小。由圖11可以看出，預(yù)應(yīng)力張拉控制力的偏差對于梁端幾乎無影響，但是對于跨中截面來講，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉控制力偏小時，梁頂截面應(yīng)力值偏大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉控制力偏大時，梁頂截面應(yīng)力值偏小。由于管道摩擦系數(shù)與局部偏差系數(shù)對于主梁應(yīng)力的影響均可忽略不計，故本文只列出管道摩擦系數(shù)對于撓度的影響以及局部偏差系數(shù)對于撓度的影響。由圖12可知，管道摩擦系數(shù)對于梁端撓度幾乎沒有影響，對于跨中截面來說，當(dāng)管道摩擦系數(shù)偏小時，撓度值相較于設(shè)計值偏大，當(dāng)管道摩擦系數(shù)偏大時，主梁撓度值相對于設(shè)計值偏小，并且當(dāng)管道摩擦系數(shù)出現(xiàn)偏差時，邊跨與中跨撓度變化值為0.055 mm。由圖13可知，當(dāng)局部偏差系數(shù)偏小時，對于主梁梁端撓度幾乎沒有影響，對于跨中截面，主梁撓度變大且變化值達到0.09 mm，當(dāng)局部偏差系數(shù)偏大時，主梁撓度相較于設(shè)計值幾乎無變化。分析可以發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉控制力對于主梁撓度、主梁應(yīng)力影響遠遠大于管道摩擦系數(shù)以及局部偏差系數(shù)。本質(zhì)上，這兩項參數(shù)實際上是通過影響有效預(yù)應(yīng)力大小決定簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

圖9 預(yù)應(yīng)力張拉控制力對位移影響

圖10 預(yù)應(yīng)力張拉控制力對梁頂應(yīng)力影響

圖11 預(yù)應(yīng)力張拉控制力對梁底應(yīng)力影響

圖12 管道摩擦系數(shù)對撓度影響

圖13 局部偏差系數(shù)對撓度影響

4 結(jié)語

（1）簡支變結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋在預(yù)應(yīng)力荷載作用下主梁撓度呈現(xiàn)明顯的“邊跨大于中跨，邊梁大于中梁”的趨勢，設(shè)計狀態(tài)下邊跨最大位移值為中跨的123.48%，邊梁最大位移值為中梁的110.5%。（2）當(dāng)預(yù)應(yīng)力體系參數(shù)在實際施工時發(fā)生相對于設(shè)計值的偏差時，預(yù)應(yīng)力張拉控制力對于主梁撓度、梁頂應(yīng)力、梁底應(yīng)力的影響最大，對于撓度的影響最大可以達到14 mm，對于應(yīng)力的影響最大可以達到7 MPa。（3）管道摩擦系數(shù)、局部偏差系數(shù)對于主梁應(yīng)力的影響不大，對于主梁撓度的影響性也不如預(yù)應(yīng)力張拉控制力，并且這兩項參數(shù)本質(zhì)上是通過影響有效預(yù)應(yīng)力的大小影響橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)。