預應力管道摩阻參數對現澆連續梁橋撓度的影響

任 煒

（新疆新紀元公路設計有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

預應力混凝土具有增加橋梁結構的抗裂性和減少橋梁設計所用截面的優點，從而施工階段工程造價低，且使用性能優良［1］。預應力混凝土連續梁橋具有較強的剛度和抗裂性，也是大跨度連續梁橋在設計和施工階段所考慮的特性。近年來，在橋梁設計中預應力結構的橋梁所占比重越來越高，成為橋梁設計中的首選結構。

雖然預應力橋梁結構具有剛度強、抗裂性好、受力性能好、橋梁跨徑大、行車舒適等優點，但也存在橋梁跨中下撓、腹板或底板開裂等病害，存在很大的安全隱患［2］。通過研究分析，發現病害產生的主要原因是橋梁預應力結構中預應力損失過大，有效預應力不足。參考國內外專家對橋梁結構中對預應力損失的研究，發現預應力管道摩阻參數的大小對預應力結構中有效預應力影響較大，進而影響橋梁的線形［3］。因此，預應力管道摩阻參數大小對橋梁的撓度具有很大影響，在橋梁設計階段管道摩阻參數的取值至關重要。

1 工程背景

某快速化改造工程上跨高架橋引橋部分采用20 m+2×30 m+20 m 預應力混凝土現澆連續箱梁，橋面寬24 m，底板寬16.1 m，梁高1.8 m，見圖1。

圖1 橋梁結構立面布置/cm

采用單箱四室斜腹板斷面，頂板厚0.26 m，腹板厚0.4 m（端部變厚至0.6 m），底板厚0.24 m（端部變厚至0.4 m）；懸臂長2.75 m，端部厚0.2 m，根部按圓弧過渡。現澆連續箱梁采用C50 混凝土，彈性模量為3.45×104MPa。預應力材料采用抗拉強度標準值為1 860 MPa 的低松弛高強度鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，彈性模量1.9×105MPa，松馳系數0.3。預應力管道采用塑料波紋管成型。

2 建立模型

運用有限元軟件Midas Civil 建立預應力混凝土現澆連續箱梁橋模型，共包含150 個單元和151 個節點。考慮結構恒載、預應力張拉、混凝土收縮徐變、施工荷載及溫度變化等因素，通過改變有限元模型軟件中摩阻參數的取值來進行模擬，得到橋梁撓度的變化值，并進行分析。有限元模型見圖2。

圖2 全橋有限元模型

3 管道摩阻參數取值

管道摩阻參數的取值對預應力混凝土連續梁橋的線性有較大的影響，管道摩阻參數包括摩阻系數μ和偏差系數k 兩個參數。對比國內橋梁設計規范發現，摩阻系數μ和偏差系數k 的取值在一個給定的區間范圍［4］，導致無論預應力管道內部如何，摩阻系數μ和偏差系數k 的取值都是不變的。若摩阻系數μ和偏差系數k 的取值過大，橋梁結構實際施加的預應力就會偏大，橋梁結構會上撓，反之會下撓。因此，摩阻系數μ和偏差系數k 的取值應根據橋梁結構實際情況來設定，對預應力混凝土連續梁橋的線性精確控制意義重大［5］。

根據國內現行橋梁設計規范和相關參考文獻，通過改變有限元模型中摩阻系數μ和偏差系數k 的值來分析橋梁各里程撓度的變化。摩阻系數μ分別取0.13、0.15、0.19、0.21；偏差系數k 分別取0.001、0.002、0.002 5、0.003，分別討論對橋梁沿程線性的影響［6］。

4 管道摩阻參數對橋梁撓度的影響

預應力管道摩阻參數的取值對橋梁結構的撓度影響較大，它是通過影響橋梁的預應力損失進而影響橋梁的撓度。當管道摩阻參數取值較大時，在計算預應力損失時就會較大，實際施加于橋梁結構中的預應力也將過大，此時橋梁結構中預應力過大會引起預應力結構體系破壞。然而，當管道摩阻參數取值較小時，在計算預應力損失時就會較小，從而施加于橋梁結構中的預應力也會減小，此時橋梁結構會出現有效預應力過小，不能發揮預應力結構的作用，在橋梁后期運營的過程中會出現跨中下撓、箱梁開裂等現象［7］。實橋采用塑料波紋管成型方式，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2012）中規定摩擦系數μ的取值為0.14 ～0.17，偏差系數k 的取值為0.001 5，選取μ為0.17，k 為0.001 5為規范值［8］。

4.1 摩擦系數μ單獨變化

對照國內管道摩擦系數μ取值規定，管道摩擦系數μ分別取0.13、0.15、0.19、0.21，主梁線形變化曲線見圖3。

圖3 主梁線形變化曲線

管道摩擦系數μ值單獨變化時，對各跨跨中位置截面影響較大，其中撓度值變化最大的位置為2#跨跨中、3#跨跨中截面處，撓度最大變化值約為0.47 mm。（1）隨著μ值逐漸增大，在橋墩墩頂位置到跨中位置范圍內，橋梁向上的撓度不斷變小。（2）隨著μ值不斷增大，在跨中位置到橋墩位置范圍內，橋梁向上撓度不斷增大。

4.2 偏差系數k 單獨變化

參考國內外偏差系數k 取值規范，選取偏差系數k 值分別為0.001、0.002、0.002 5、0.003，所對應的預應力混凝土連續箱梁橋的撓度變化值見圖4。

圖4 墩頂豎向位移變化曲線

管道偏差系數k 值對預應力混凝土現澆連續箱梁橋撓度影響較大的位置為橋梁各跨跨中位置截面處，撓度變化最大的位置出現在2#跨跨中、3#跨跨中位置處。（1）隨著k 值逐漸增加，橋梁在橋墩至跨中位置范圍內向下的撓度值不斷增加。（2）在跨中至橋墩位置，當k 值不斷變大時，橋梁向上的撓度也不斷增加。

4.3 摩擦系數μ和偏差系數耦合變化

耦合變化時管道摩阻參數（μ，k）的值分別取（0.13，0.001）、（0.15，0.002）、（0.19，0.002 5）、（0.21，0.003），結果見圖5。

圖5 墩頂順橋向位移變化曲線

由圖5 可知，摩擦系數和偏差系數耦合變化時，對橋梁線形的影響要比摩擦系數和偏差系數單獨變化時大很多。對橋梁線形影響較大的位置仍然是各跨跨中位置的截面處，其中2#跨跨中、3#跨跨中位置處影響最大。（1）當摩擦系數和偏差系數按設定的值遞增時，在橋墩墩頂位置至跨中位置范圍內預應力混凝土現澆連續箱梁橋向下撓度值不斷增大。（2）當摩擦系數和偏差系數呈遞增趨勢時，在跨中位置至橋墩墩頂位置范圍，橋梁的向上撓度不斷增加。（3）通過改變有限元模型中管道摩阻參數（μ，k）的值，發現橋梁線形變化最大位置為2#跨跨中、3#跨跨中位置，撓度最大變化值約為2.38 mm。

5 結語

（1）摩擦系數和偏差系數對橋梁線形的影響呈線形分布，對橋梁跨中位置影響較大，管道摩擦系數和偏差系數耦合變化對橋梁的影響要比單獨變化時大很多。（2）摩阻系數的不同取值對橋梁線形影響不同，在橋梁設計階段，建議將摩擦系數和偏差系數的取值適當放大。對于預應力混凝土連續梁橋建議實測摩阻參數。（3）預應力管道摩阻參數的取值對橋梁的撓度影響較大，認為是橋梁在運營階段出現下撓的影響因素之一。