剛構橋懸臂梁臨時張拉體外束降低后期徐變下撓研究

李一瑋

(鄭州市工程質量監督站，河南 鄭州 450052)

0 引言

大跨預應力混凝土(PC)剛構橋具有跨越能力強、施工簡便、經濟性好、行車平順等特點，已成為世界上100～300m跨徑的主力橋型，我國20世紀80年代中期開始修建連續剛構橋，至今方興未艾。趙磊以1座3跨連續剛構橋為例，利用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁分析模型，確定橋梁設計結構的各參數，根據不同受力工況分析結構的受力狀態。顏東煌等以貴州筍子巖大橋為工程背景，分析大跨連續剛構橋跨中下撓的主要因素。侯鐵鋼以某施工大橋作為研究對象，建立施工大橋的仿真模型，探討預應力損失在橋梁運營過程中產生的影響，通過實際受力試驗和裂縫分布進行驗證。大跨PC剛構橋在后期運營過程中，存在箱梁混凝土開裂問題，箱梁中超出設計許可的裂縫寬度和數量對結構的運營安全性和耐久性構成很大威脅，造成重大安全隱患，大跨PC剛構橋開裂已成難題。本文以某大橋為依托工程，分析臨時張拉體外束方案的優點，對比驗證幾種臨時體外束方案的實施效果，建立仿真模型模擬分析各方案對橋梁運營過程承載應力、撓度及預應力損失產生的影響，研究結果可為實際施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

以某大橋為依托工程，跨徑布置為(120+230+120)m PC剛構橋。單箱單室箱形截面，箱梁梁高及底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁跨中梁高4.4m，根部梁高13.8m，頂板寬12m、厚0.3～0.6m，底板寬6.5m、厚0.32～1.3m。腹板厚1.0，0.95，0.8，0.65，0.5m，如圖1所示。該特大橋在縱、橫、豎3個方向施加預應力。

圖1 箱梁截面(單位：cm)

1.2 臨時張拉體外束方案

采用4種臨時體外束方案，在2，7，14號塊上安放臨時體外束，如表1所示。除方案a外，其他方案均對底板進行臨時張拉束，底板束與底板間距約60cm。以上各臨時體外束對稱，前后兩端張拉，張拉應力要求在1 400MPa。

表1 各方案參數

2 數值分析

2.1 數值模型

使用有限元軟件MIDAS/Civil建立該大橋的有限元模型，如圖2所示，對成橋后結構受力情況進行仿真模擬。

圖2 橋梁有限元模型

如圖2所示，綜合考慮橋梁的預應力鋼筋、橋梁主梁、柔性橋墩等結構，使用有限元軟件構建模型時，通過有限元軟件MIDAS/Civil的單元類型仿真模擬橋梁各結構，根據施工情況對橋墩底部和邊跨固定自由度。根據相關規范和橋梁施工實際情況，確定橋梁仿真模型的相關基本參數，如預應力束與管道壁的摩擦系數、預應力鋼筋的抗拉強度值等。混凝土的徐變系數、收縮應變隨時間(單位為d)變化趨勢曲線如圖3所示。

圖3 混凝土徐變系數、收縮應變時程曲線

2.2 成橋后應力分析

在橋梁跨中位置，在拆除臨時支護約束后一般會出現彈性回彈現象。拆除臨時體外束前后跨中截面和支點截面的應力變化如圖4，5所示。

圖4 拆除臨時體外束對跨中截面應力的影響

圖5 拆除臨時體外束對支點截面應力的影響

分析3個方案在橋梁跨中位置拆除前后上、下緣應力大小，方案1～3實施后有效降低跨中截面上緣壓應力、增大跨中位置下緣壓應力，方案a實施后對跨中截面的上、下緣壓應力與原設計方案對比產生效果較小；可看出對底板進行臨時張拉束的布置越大，實施前后上、下緣壓應力變化越大，其中方案3實施后上、下緣的壓應力變化最大，產生效果最佳。

由圖4可知，拆除臨時體外束會導致跨中上緣壓應力減小，而跨中下緣壓應力增大。如圖6，7所示，對比成橋后跨中截面及支點截面的應力變化，拆除臨時體外束后，各方案下緣應力均有不同程度降低，各支點截面的下緣應力基本相同，均在8MPa范圍內。上緣應力除方案a外，均有不同程度增大，其中方案3應力增加最大。

圖6 成橋后跨中截面應力時程曲線

由圖6a可知，方案1～3對橋梁的跨中位置產生的上緣壓應力有減小效果，其中方案2產生的壓應力大于方案3，方案1產生的壓應力大于方案2，方案a實施效果與原設計方案效果基本無變化，作用不明顯。

由圖6b可知，方案1～3對橋梁的跨中位置產生的上緣壓應力有增強效果，其中方案2產生的壓應力小于方案3，方案1產生的壓應力小于方案2，方案a實施效果與原設計方案效果基本無變化。分析方案3和原設計方案在下緣位置成橋后各時間點的壓應力數據，方案3實施后跨中截面下緣壓應力數值較原方案應力值要大，表明方案3很好地提高了跨中截面抗裂性能。

由圖7可知，方案1～3和方案a支點截面上緣和下緣壓應力基本與原設計相同，上緣壓應力略減小而下緣略增大。分析各方案在成橋后支點截面應力的時程曲線，成橋后支點截面下緣應力在0～20年，方案3都較原方案應力值大約0.3MPa，表明各方案與原方案的作用效果相比不顯著。

圖7 成橋后支點截面應力時程曲線

3 現場監測與有限元結果對比分析

3.1 臨時體外束最終方案

根據上述模擬結果，并結合該依托工程實際情況，確定橋梁施工最終的臨時體外束方案，在2號梁段安放4根和7號梁段及14號梁段安放6根27φ15.24預應力束，如表2所示，布置位置同方案1～3，增加底板的壓應力。

表2 最終方案參數

3.2 現場監測及結果對比

考慮實際施工現場各方面影響因素，測量數據充分控制精度，因此選取長期性、線形平穩性較強，對施工過程中需采集應變的重要保證截面(支點、L/4)，通過在連續梁截面處布置觀測釘和應力計監測施工應力數據，監測數據通過專業的測量應力的儀器采集。采集不同箱梁施工截面結構變形數據與追蹤橋梁曲線變化情況，并分析梁懸臂端的合攏精度及橋面線形變化。

對比現場應力監控數據及有限元模型計算結果，如表3所示，施工階段，施工1～26號計算結果多，由于篇幅所限在此不闡述15～26號塊計算結果數據分析，如圖8，9所示。

表3 原設計在恒載作用下關鍵梁段施工應力(拉正、壓負) MPa

圖8 支點斷面應力對比

圖9 L/4 斷面應力對比

由圖8，9可知，在每個施工階段的支點和L/4截面的測量值基本上與計算值相差不大。截面上部壓應力計算值與測量值之間的最大差值在施工梁體的22號分段位置處。

下部壓應力計算值與測量值之間的最大差值在施工梁體的9號分段位置處。L/4截面上的壓應力計算值與測量值之間的最大差距在施工梁體的26號分段位置處，下部壓應力計算值與測量值之間的最大差值在施工梁體的25號分段位置處，最大差值均滿足設計和施工要求。

此外，整理監測應力數據繪制應力曲線符合理論應力曲線的走勢和變化，說明所建立的計算模型與施工情況基本一致。

4 結語

以某大橋為依托工程，通過對大橋施工分析臨時體外束方案的可行性，對比研究4種臨時體外束方案的實施效果，通過理論分析各方案對橋梁運營過程后承載應力、撓度產生的影響。并根據有限元仿真分析及施工監測數據確定了最終方案，其中監測施工過程中應力與仿真數據對比驗證仿真分析結果的可靠性強。最終得出以下結論。

1)大跨PC梁橋在施工階段各梁段截面上緣所受應力較大，頂板徐變產生的撓度比底板的大，成橋后各梁段截面下緣應力隨時間變化一直加大，底板徐變產生撓度比頂板的大，橋梁特別是跨中位置下撓嚴重，因此，采用臨時體外束增加在施工階段橋梁預應力，特別是各梁體截面底板位置的壓應力，來調整徐變變化從而減緩橋梁的結構下撓。

2)通過方案1～3在底板張拉臨時張拉束，增大成橋前梁體截面的下緣壓應力，底板徐變在成橋前基本完成，使得橋梁負彎矩區的轉角及跨中撓度減小，成橋后結構由徐變引起的下撓減小，方案3成橋后20年的時間點跨中下撓變形量較原方案得到明顯改善，采用方案a均增大頂、底板位置的壓應力時，拆除臨時體外束后跨中截面撓度變形量較方案1實施后下撓加大，可知若加大施工階段頂板處壓應力，拆除臨時體外束后作用適得其反。

3)通過以上分析與結論可知，在拆除臨時體外束時，梁體彈性回彈使主跨跨中底板壓應力增加，有效提高了跨中截面抗裂性能和剛性。