預應力混凝土箱梁施工階段受力及變形監測分析

牙韓斌

摘要：文章以某預應力混凝土箱梁為研究對象，通過數值模擬分析了施工過程中箱梁的應力和變形特點，并將實測數據與數值結果進行了對比分析，得到以下結論：在預應力張拉過程中，支座截面應力整體變化最小，其次是1/4截面，最大的是跨中截面，實際監測數據均小于允許值，說明設計滿足要求;初始時跨中截面撓度較大，當到工況5時箱梁截面位移趨于0，此時預應力與自重所產生的拉應力基本抵消，截面開始表現受壓;隨著預應力逐步增大，截面開始產生預拱度，致使截面上邊緣的拉應力增大;預應力鋼束作用下，箱梁的中心出現上凸的反拱，其可以增大防止梁跨中撓度過大而出現手拉破壞，即增大梁的抗裂性;采用有限元軟件可以較為合理地模擬箱梁的受力性能，并可用來預測橋梁施工過程中的受力和變形。

關鍵詞：預應力;混凝土箱梁;受力;變形;數值模擬

0 引言

預應力混凝土箱梁施工過程中其受力和變形一直是工程師密切關注的問題，由于其面臨很多不確定因素的影響，因此施工過程中應加強監測和分析。近年來，國內學者對此進行了一些研究，主要有：胡志紅，趙啟林等[1-2]以某預應力混凝土連續梁-剛構組合箱梁橋為研究對象，采用ANSYS建立有限元模型，分別計算了4種荷載工況下箱體的應力分布情況，并監測箱梁混凝土養護過程中的橫向應力，分析了箱梁底板縱向裂縫開裂原因;趙志剛，陳偉庚等[3-4]以某預應力混凝土連續箱梁跨既有線路頂推施工工程為研究對象，制定了各施工階段的監測方案，測試了從梁體澆筑階段的預應力張拉至落梁階段全施工過程中結構的應力及變形;徐善中、楊建勇等[5-6]以預應力混凝土連續梁橋采用懸臂法施工為例，結合施工方案施工和實測數據對Midas CiviL建立的模型參數進行修正，利用自適應控制方法對橋梁施工過程進行安全施工控制，從而保證預應力混凝土連續箱梁橋的施工安全。本文主要以某預應力混凝土箱梁為研究對象，采用數值模擬的手段重點分析了施工過程中箱梁的應力和變形特點，并將實測數據與數值結果進行了對比分析，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某預應力混凝土箱梁工程，橋梁全長為456.6 m，共12跨，設計使用壽命為100年。其箱梁結構類型為單箱形式，施工方法為現澆。[KG（0.05mm]橋梁截面尺寸如下頁圖1所示，本文主要研究3 #和4 #橋墩中間的4 #梁段，該段梁總長30.5 m，寬度為13 m，計算跨度為30 m，使用C50標號混凝土，該段梁的重量約785 t。

2 數值建模

2.1 模型建立

圖2為采用大型有限元軟件Midas Civil建模得到的橋梁4 #梁段箱梁模型圖。方向選取時以箱梁截面橫向方向為x軸，以箱梁截面高度方向為y軸，以向上為z軸，且規定以x軸向右、y軸向內以及z軸向上為正方向。跨徑為30 m，模型中共有33個節點，共30個單元，并在節點32和33處設有簡支支撐。

2.2 工況建立及監測點布置

在施工過程中，將鋼絞線預應力張拉分為8個階段，如表3所示，鋼絞線布置如圖3所示，鋼束抗拉強度設計值為1.86 GPa。

對于梁的位移監測，使用位移計進行，主要對跨中、1/4截面和支座處截面進行位移監測，如圖4所示。

3 箱梁應力及變形結果分析

3.1 實測數據分析

如圖5所示，為現場實際監測得到的不同工況下不同截面的最大應力值曲線。由圖可知，在預應力張拉過程中，支座截面應力整體變化最小，其次是1/4截面，最大的是跨中截面。且在工況1至工況5過程中，應力變化量較小，之后工況應力值大幅度增長。對于拉應力的允許值，可以按照式（1）計算：

經過計算，允許最大拉應力和壓應力分別為25.1 MPa和2.2 MPa，而實測最大拉應力和壓應力分別為15.5 MPa和2.0 MPa，實際監測數據均小于允許值，說明設計滿足要求。

如圖6所示，為現場實際監測得到的不同工況下不同截面的撓度曲線。由圖可知，初始時跨中截面撓度較大，當到工況5時梁截面位移趨于0，說明梁體所產生的預應力與自重所產生的拉應力基本抵消，截面開始表現受壓;之后，隨著預應力逐步增大，截面開始產生預拱度，致使截面上邊緣的拉應力增大。

3.2 數值結果分析

圖7為梁整體應力和變形云圖。由圖可知，預應力鋼束作用下，從梁的外形來看出現中心上凸的反拱，反拱的存在是有利的，它可以增大，防止梁跨中撓度過大而出現手拉破壞，即增大梁的抗裂性。圖中顯示箱梁的最大應力和位移分別為15.3 MPa和14.1 mm。

圖8為不同工況下不同截面位置處撓度圖。由圖可知，每種工況下箱梁均是跨中撓度最大，往兩側支座處逐漸減小，且沿跨中兩側撓度基本對稱分布。在工況1～5，位移為負，即箱梁在重力作用下向下彎曲，之后，在預應力鋼束的逐漸作用下，位移由負變正，在預應力張拉完成之后撓度最大。

3.3 實測數據與數值模擬對比分析

為了驗證數值模擬方法是否合理，下頁圖9給出了實測跨中撓度與數值結果對比圖。由圖可知，各工況下二者吻合度較好，各工況下實測跨中撓度與數值模擬得到的撓度誤差均不超過10%，且數值解略大于實測值，說明數值模擬具有一定的安全儲備。

圖10為實測跨中最大應力與數值結果對比圖，由圖可知，各工況下二者吻合度較好，各工況下實測跨中撓度與數值模擬得到的撓度誤差均不超過8%。綜上可知，采用有限元軟件Midas Civil可以較為合理地模擬箱梁的受力性能，可用來預測橋梁施工過程中的受力和變形。

4 結語

本文主要以某預應力混凝土箱梁為研究對象，采用數值模擬的手段重點分析了施工過程中箱梁的應力和變形特點，并將實測數據與數值結果進行了對比分析，得到以下結論：

（1）在預應力張拉過程中，支座截面應力整體變化最小，其次是1/4截面，最大的是跨中截面。實際監測數據均小于允許值，說明設計滿足要求。

（2）初始時跨中截面撓度較大，當到工況5時梁截面位移趨于0，此時預應力與自重所產生的拉應力基本抵消，截面開始表現受壓;之后，隨著預應力逐步增大，截面開始產生預拱度，致使截面上邊緣的拉應力增大。

（3）預應力鋼束作用下，箱梁的中心出現上凸的反拱，它可以增大，防止梁跨中撓度過大而出現手拉破壞，即增大梁的抗裂性。

（4）各工況下實測跨中撓度與數值模擬得到的撓度和應力誤差均較小，說明采用有限元軟件可以較為合理地模擬箱梁的受力性能，并用來預測橋梁施工過程中的受力和變形。

參考文獻：

[1]胡志紅，王 攀，鄒紅丹.某預應力混凝土箱梁橋懸臂施工中底板縱向裂縫成因分析及處理措施[J].世界橋梁，2015（3）：86-90.

[2]趙啟林，周旺進，江克斌.預應力混凝土箱梁橋施工中的裂縫成因分析與修補[J].公路交通科技，2006（6）：89-92，107.

[3]趙志剛.施工工序對橋梁受力及變形的影響分析[J].建筑遺產，2013（22）：141-142.

[4]陳偉庚.預應力混凝土連續箱梁頂推施工監測[J].鐵道建筑，2018，58（7）：53-57.

[5]徐善中.一種寬幅預應力鋼筋混凝土連續箱梁人工控制頂升施工與監測的探討[J].海峽科技與產業，2016（5）：108-110.

[6]楊建勇，成 菲.預應力混凝土連續箱梁橋施工過程的應力監控[J].企業科技與發展，2015（24）：53-54.