縱向預應力對連續箱梁橋中跨跨中變形的影響分析

劉 凱

(創輝達設計股份有限公司 長沙市 410000)

近年來，預應力混凝土變截面連續梁橋在我國交通基礎設施建設中發展迅速，越來越多的橋梁設計師在跨江、跨河和跨線的橋梁中選用此橋型。隨著連續梁橋的竣工運營，大部分橋梁出現了中跨跨中變形量下降幅度過大的病害現象，直接影響著橋梁結構的耐久性和安全性。

本文針對運營階段預應力混凝土變截面連續梁橋中跨跨中變形下降幅度過大的問題，結合國內外學者已取得的研究成果[1-2]，從縱向預應力設計上探討連續梁橋運營階段中跨跨中變形隨縱向預應力鋼束位置、張拉控制應力、張拉方式和鋼束松弛類型變化的規律。

1 工程概況

某懸澆施工的公路大橋上部結構為55m+90m+55m變截面預應力混凝土連續箱梁，主梁采用C50混凝土，單箱雙室，橋寬18.5m，梁底線型按1.8次拋物線變化，墩頂梁高5.5m，跨中及兩端梁高2.5m，下部結構橋臺為肋板臺，橋墩為實體墩，墩臺基礎均為樁基礎。主梁按全預應力構件設計，采用三向預應力體系，橫向預應力鋼束為3Φs15.2mm普通鋼絞線，豎向預應力鋼束為3Φs15.2mm低松弛鋼絞線，縱向預應力鋼束包括腹板束(13Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、懸澆頂板束(13Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、中跨底板束(15Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、中跨頂板束(15Φs15.2mm低松弛鋼絞線)、邊跨底板束(13Φs15.2mm低松弛鋼絞線)和邊跨頂板束(19Φs15.2mm低松弛鋼絞線)。

2 分析方案

基于梁橋結構計算滿足要求的前提，在地質條件、梁橋構造、合龍順序和荷載作用相同的條件下，從以下幾個方面分析運營階段中跨跨中變形(撓度正值代表向上變形)的變化規律：

(1)縱向鋼束位置方案：腹板束、懸澆頂板束、中跨底板束、中跨頂板束、邊跨底板束和邊跨頂板束。

(2)張拉控制應力方案見表1。

表1 張拉控制應力方案表

(3)張拉方式方案：一次張拉和超張拉。

(4)鋼束松弛類型方案：普通松弛和低松弛。

3 分析模型

采用midas Civil軟件建立55m+90m+55m連續梁橋的整體模型，全橋共有111個節點，76個單元，邊界條件用彈性連接模擬，按設計條件施加荷載和邊界條件后，設定50個施工階段，見圖1。

圖1 分析模型

4 計算結果與分析

4.1 縱向鋼束位置的影響

當其它條件相同時，分別選擇不同位置的縱向鋼束，改變其張拉控制應力變化幅度，運行分析模型，得到相應梁橋運營10年后的中跨跨中變形量變化圖(圖2)。

圖2 中跨跨中變形量隨張拉控制應力變化幅度的變化(運營10年后)

由圖2可知，鋼束的張拉控制應力是中跨跨中變形的敏感性因素，中跨跨中變形量隨邊跨底板束和中跨頂板束的張拉控制應力反方向變化，隨腹板束、邊跨頂板束、懸澆頂板束和中跨底板束的張拉控制應力正方向變化，且中跨跨中變形量對中跨底板束的張拉控制應力最敏感，敏感度系數為6.97。當運營期中跨跨中變形量下降幅度過大時，在結構驗算安全的前提下，可通過二次張拉中跨底板的預應力鋼束或張拉中跨底板上增設的體外束，提高中跨底板的預壓應力，減小中跨跨中變形量的下降值。

4.2 張拉控制應力的影響

據圖2的結論，中跨跨中變形量對中跨底板束的張拉控制應力最敏感，當其它條件相同時，改變中跨底板束的張拉控制應力，運行分析模型，得到不同運營時間梁橋中跨跨中的變形量變化圖(圖3)。

圖3 不同運營時間的梁橋中跨跨中變形量隨張拉控制應力的變化

由圖3可知，不同運營時間的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應力增加而增大，變化曲線基本平行，當中跨底板束的張拉控制應力從1339.2MPa增加到1413.5MPa時，運營10年后，梁橋中跨跨中的變形量從14.865mm增大到17.848mm，提升了20%，提升幅度較大，在保證鋼束滿足斷絲和滑移限制的前提下，可適當增大中跨底板束的張拉控制應力，提高跨中的正變形量。當中跨底板束的張拉控制應力一定時，中跨跨中的變形量均隨運營時間增加而降低，其中橋梁運營前30年的中跨跨中變形量下降速率最快，約0.074mm/a，運營50年后，中跨跨中變形量下降速率逐漸變緩，可近似已基本穩定，這與混凝土收縮、徐變引起的預應力損失隨時間變化規律基本一致。當新建連續梁橋時，可在中跨底板上預留預應力鋼束，運營期前30年內，在結構驗算安全的前提下，逐根張拉中跨底板的預留預應力鋼束，維持橋梁原設計的立面線形，保證橋面行車的舒適度。

4.3 張拉方式的影響

當其它條件相同時，改變中跨底板束的張拉方式，運行分析模型，得到相應梁橋運營10年后中跨跨中的變形量變化圖(圖4)。

圖4 中跨底板束張拉方式不同時中跨跨中變形量隨張拉控制應力的變化(運營10年后)

由圖4可知，中跨底板束張拉方式不同的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應力增加而增大，變化曲線基本平行，當張拉控制應力同為1376.4MPa時，運營10年后，鋼束超張拉的梁橋中跨跨中變形量為16.451mm，鋼束一次張拉的梁橋中跨跨中變形量為16.363mm，提升了0.54%，提升幅度較小，在保證鋼束滿足斷絲和滑移限制的前提下，中跨底板可選擇適用鋼束超張拉的錨具，對中跨底板束進行超張拉，提高橋梁運營期間中跨跨中的正變形量，最大效率地利用中跨底板鋼束的預應力。

4.4 鋼束松弛類型的影響

當其它條件相同時，改變中跨底板束的松弛類型，運行分析模型，得到相應梁橋運營10年后中跨跨中的變形量變化圖(圖5)。

圖5 中跨底板束松弛類型不同時中跨跨中變形量隨張拉控制應力的變化(運營10年后)

由圖5可知，中跨底板束松弛類型不同的梁橋中跨跨中變形量均隨張拉控制應力增加而增大，采用低松弛鋼束的變化曲線斜率比采用普通鋼束的變化曲線斜率大，當考慮提高橋梁運營期間中跨跨中的正變形量時，通過增加中跨底板低松弛鋼束張拉控制應力的方法比通過增加中跨底板普通鋼束張拉控制應力的方法更有效，當中跨底板束的張拉控制應力同為1376.4MPa時，運營10年后，低松弛鋼束的梁橋中跨跨中變形量為16.363mm，普通鋼束的梁橋中跨跨中變形量為14.309mm，在張拉控制應力一定的前提下，中跨底板應選擇低松弛的預應力鋼束，減少預應力鋼束松弛引起的預應力損失，提高橋梁運營期間中跨跨中的正變形量，最大效率地利用中跨底板鋼束的預應力。

5 結論

針對運營階段中的預應力混凝土連續梁橋，在不同縱向預應力設計方案中進行數值仿真模擬，通過將不同方案中計算的中跨跨中變形量進行對比分析，得到了以下幾點結論：

(1)鋼束的張拉控制應力是中跨跨中變形量的敏感性因素，中跨跨中變形量隨邊跨底板束和中跨頂板束的張拉控制應力反方向變化，隨腹板束、邊跨頂板束、懸澆頂板束和中跨底板束的張拉控制應力正方向變化，且中跨跨中變形量對中跨底板束的張拉控制應力最敏感。

(2)不同運營時間的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應力增加而增大，變化曲線基本平行，當中跨底板束的張拉控制應力一定時，中跨跨中的變形量均隨運營時間增加而降低，其中橋梁運營前30年的中跨跨中變形量下降速率最快，運營50年后，中跨跨中變形量下降速率逐漸變緩。

(3)中跨底板束張拉方式不同的梁橋中跨跨中變形量均隨中跨底板束張拉控制應力增加而增大，變化曲線基本平行，當中跨底板束的張拉控制應力一定時，鋼束超張拉的梁橋中跨跨中變形量比鋼束一次張拉的梁橋中跨跨中變形量微大一些，提升幅度較小。

(4)中跨底板束松弛類型不同的梁橋中跨跨中變形量均隨張拉控制應力增加而增大，當考慮提高橋梁運營期間中跨跨中的正變形量時，通過增加中跨底板低松弛鋼束的張拉控制應力的方法比通過增加中跨底板普通鋼束的張拉控制應力的方法更有效。