預(yù)制預(yù)應(yīng)力砼T梁側(cè)彎線形分析研究*

王貴

(湖南建工交通建設(shè)有限公司， 湖南 長沙 410004)

裝配式預(yù)應(yīng)力砼梁橋以其標準化、規(guī)范化、現(xiàn)場施工便捷和經(jīng)濟效益良好等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)項目中。湖南地區(qū)已建和在建項目中有大量橋型選擇裝配式預(yù)應(yīng)力砼梁橋，實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)在實際施工中由于T形預(yù)制梁截面相對較小、剛度較弱、自身橫向抗彎剛度較小，在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后，受多種因素的綜合作用，T梁產(chǎn)生一定程度側(cè)彎，預(yù)應(yīng)力鋼束的孔道定位偏差對側(cè)彎變形量的影響更明顯。過大的變形不僅影響后續(xù)施工的正常進行，同時嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。當前，有關(guān)側(cè)彎變形的研究多集中在定性分析和側(cè)彎變形控制方面，對于定量計算的討論還較少，相關(guān)規(guī)范性文件對T梁側(cè)彎變形量的允許值也沒有具體規(guī)定，僅部分地區(qū)在地方標準中進行了部分闡述。該文依托平益[平江(湘贛界)至益陽安化]高速公路矮洲汨水大橋，通過實地調(diào)研了解T梁側(cè)彎變形情況，采用有限元數(shù)值計算模型模擬鋼束孔道偏位，計算側(cè)彎變形量，利用數(shù)學統(tǒng)計方法，得出符合數(shù)據(jù)變化規(guī)律的曲線形式，為T梁側(cè)彎變形研究提供理論參考。

1 側(cè)彎變形影響因素分析

影響預(yù)應(yīng)力T梁側(cè)彎變形的因素很多，包括預(yù)應(yīng)力鋼束在施工過程中的張拉順序及張拉工藝、鋼束孔道定位偏差、構(gòu)件截面形式和尺寸大小、張拉時砼的強度等。

施工經(jīng)驗表明，存在多根預(yù)應(yīng)力鋼束時，不同鋼束施工順序產(chǎn)生的側(cè)彎值不相同，在其他項目滿足規(guī)范要求的前提下，通過優(yōu)化鋼束張拉順序，可保證鋼束側(cè)彎變形滿足規(guī)范要求。嚴格按設(shè)計施工要求和規(guī)范標準進行操作，可使這些因素對T梁側(cè)彎變形的影響程度降到最低。矮洲汨水大橋T梁預(yù)制場調(diào)研結(jié)果表明，鋼束孔道定位偏差是一個突出問題，波紋管在施工中產(chǎn)生定位偏差，將直接導(dǎo)致波紋管中的鋼束偏離設(shè)計位置，張拉后將在非軸向上產(chǎn)生額外的應(yīng)力，特別是對于腹板薄、高跨比小、橫向剛度較小的T形梁，波紋管施工時的定位偏差將直接影響鋼束合力的作用點，引起主梁側(cè)彎變形。砼澆筑過程中，砼的振搗也容易引起內(nèi)置波紋管產(chǎn)生較大內(nèi)移或外偏，從而引起鋼束偏位，導(dǎo)致主梁側(cè)彎變形。因此，重點針對鋼束孔道定位偏差引起的鋼束側(cè)彎變形進行分析。

2 數(shù)值模擬分析

從預(yù)應(yīng)力孔道定位偏差著手，研究T梁側(cè)彎變形量沿梁縱向變化的規(guī)律。根據(jù)矮洲汨水大橋40 m預(yù)應(yīng)力T梁設(shè)計圖紙，利用MIDAS FEA建立數(shù)值計算模型，劃分單元進行側(cè)彎變形量數(shù)值計算。

2.1 模型參數(shù)

該橋位于平江縣安定鎮(zhèn)官灘村、美潭村，橋位區(qū)最低地面高程約72.56 m(中部汨水兩岸)，最高約115.17 m(伍市端橋臺)，相對高差約40.0 m。橋位區(qū)有鄉(xiāng)村機耕道正交下穿通過，交通較便利。全長727.8 m，全橋采用40 m簡支變連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)，共分為6聯(lián)，橋跨布置為18×40 m預(yù)應(yīng)力T梁，橋面凈寬2×11.75 m。主梁采用C50砼，設(shè)置N1、N2、N3、N4、N5 5組預(yù)應(yīng)力鋼束，邊梁和中梁預(yù)應(yīng)力鋼束均不設(shè)平彎段。鋼束采用1860高強鋼絞線，截面面積1 400 mm2，邊梁鋼束截面面積1 540 mm2，中梁鋼束布置形式見圖1、圖2。表1為該橋5組15束鋼束孔道定位偏差情況。

圖1 鋼束豎彎示意圖(單位：cm)

圖2 支點孔道和跨中孔道定位示意圖(單位：cm)

表1 T梁截面預(yù)應(yīng)力鋼束定位偏差數(shù)據(jù)

2.2 模型建立

利用有限元軟件分別建立40 m T梁的邊梁和中梁實體模型，輸入預(yù)應(yīng)力鋼束單元，計算鋼束整體同向偏位2、4、6、8、10、12、14 mm時的側(cè)彎變形量。模型中，X軸與梁縱向中線重合，Y軸平行于梁橫橋向、垂直于X軸。中梁模型T梁側(cè)彎變形見圖3。

圖3 T梁側(cè)彎變形示意圖

2.3 數(shù)據(jù)提取

根據(jù)CJJ 2-2008《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》，預(yù)制梁側(cè)向彎曲小于L/1 000(L為構(gòu)件長度)且不大于10 mm。中梁和邊梁鋼束整體同向偏位10 mm時的側(cè)彎變形量見表2、表3。

表2 中梁縱向中軸線各點側(cè)彎變形量

表3 邊梁縱向中軸線各點側(cè)彎變形量

3 側(cè)彎線形擬合分析

利用數(shù)學統(tǒng)計方法對表2、表3中數(shù)據(jù)進行分析處理和數(shù)學擬合，確定符合數(shù)據(jù)變化特征的曲線方程。分別選取二次多項式、三次多項式、四次多項式作為目標函數(shù)。

3.1 中梁

利用MATLAB軟件對表2中數(shù)據(jù)進行數(shù)學擬合，所得曲線方程見表4。

表4 中梁側(cè)彎變形曲線方程擬合結(jié)果

通過數(shù)學擬合所得曲線方程反算中梁側(cè)彎變形量，結(jié)果見表5。各函數(shù)對中梁側(cè)彎變形量的擬合結(jié)果對比見圖4。

由圖4可知：二次多項式計算值和三次多項式計算值吻合程度較高，二者變化規(guī)律和發(fā)展趨勢基本相同，說明利用二次、三次多項式來描述中梁側(cè)彎變形的發(fā)展規(guī)律的誤差基本相同。在頂點和兩側(cè)部位，二次、三次多項式曲線與數(shù)值模擬計算值之間存在一定距離，吻合程度較低。四次多項式計算值和數(shù)值模擬計算值的吻合程度較高，利用四次多項式描述中梁側(cè)彎變形的誤差比二次、三次多項式的小，具有更高的計算精度。

表5 中梁縱向中軸線各點側(cè)彎變形量計算結(jié)果

圖4 中梁函數(shù)擬合結(jié)果對比

3.2 邊梁

與中梁類似，對表3中數(shù)據(jù)進行數(shù)學擬合，所得曲線方程見表6。

表6 邊梁側(cè)彎變形曲線方程擬合結(jié)果

通過數(shù)學擬合所得曲線方程反算邊梁側(cè)彎變形量，結(jié)果見表5。各函數(shù)對邊梁側(cè)彎變形量的擬合結(jié)果對比見圖5。

由圖5可知：4條曲線的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢大致相同。二次多項式曲線在兩側(cè)部分均低于數(shù)值模擬計算值，三次多項式曲線在極值和曲線兩側(cè)部分與數(shù)值模擬計算值吻合程度較低，四次多項式曲線與數(shù)值模擬計算曲線的吻合程度最高。說明利用四次多項式描述邊梁側(cè)彎變形的誤差比二次、三次多項式的小，具有更高的計算精度。

表7 邊梁縱向中軸線各點側(cè)彎變形量

圖5 邊梁函數(shù)擬合結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1) 預(yù)應(yīng)力鋼束孔道定位偏差會對預(yù)應(yīng)力定位產(chǎn)生不利影響，鋼束孔道定位偏差將直接引起T梁側(cè)彎變形。

(2) T梁發(fā)生側(cè)彎變形后，無論是中梁還是邊梁，其側(cè)彎變形曲線方程更接近于四次多項式。