簡支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁支點(diǎn)截面應(yīng)力測(cè)試與研究

郭東升 （遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋以其行車舒適良好、梁體預(yù)制安裝施工方便、跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)，在我國中小跨徑混凝土橋梁中得到廣泛應(yīng)用，且占相當(dāng)大的比重，它兼具了簡支梁橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)[1～3]。連續(xù)梁橋墩頂負(fù)彎矩區(qū)在施工過程中及成橋以后容易出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力繼而產(chǎn)生裂縫，為了控制該區(qū)域拉應(yīng)力避免橫向裂縫的產(chǎn)生，會(huì)在連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)負(fù)彎矩鋼束[4]。而這個(gè)區(qū)域以支點(diǎn)截面受力最大，測(cè)試和分析支點(diǎn)截面的應(yīng)力狀況能夠反映整個(gè)區(qū)域的受力是否安全、負(fù)彎矩鋼束設(shè)計(jì)是否合理、張拉是否完全，進(jìn)而為類似橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供一個(gè)參考。

本文以某高速公路連接線上3×40m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋?yàn)橐劳校鶕?jù)橋梁實(shí)際情況提出實(shí)橋試驗(yàn)方案并進(jìn)行跟蹤測(cè)試，運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立試驗(yàn)橋分析模型，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，討論張拉負(fù)彎矩鋼束過程中的支點(diǎn)截面的應(yīng)力變化狀態(tài)。

1 基本概況

1.1 橋梁概況

本橋?yàn)槟掣咚俟愤B接線上K45+191處的10×40m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋，試驗(yàn)段為其最后一聯(lián)（8、9、10三跨）。橋梁跨徑40m，橋?qū)?2.25m，橫截面由5片梁高2.5m主梁組成，主梁采用C50混凝土，試驗(yàn)段立面圖見圖1。每片主梁配置6束每束5根，15.24mm低松弛鋼筋，張拉控制應(yīng)力1395MPa，依次張拉9#墩頂和8#墩頂負(fù)彎矩束，張拉順序?yàn)門3左?T3右?T2左?T2右?T1左?T1右（左、右以小樁號(hào)向大樁號(hào)方向確定），負(fù)彎矩鋼束布置見圖2。

圖1 試驗(yàn)段立面圖（單位：cm）

圖2 負(fù)彎矩鋼束布置圖（單位：cm）

1.2 試驗(yàn)概況

在試驗(yàn)段橋梁施工過程中，將振弦式應(yīng)變計(jì)埋設(shè)于T梁支點(diǎn)截面，基于橋梁橫截面為5片T梁，選取4號(hào)梁為試驗(yàn)梁。在澆筑墩頂濕接混凝土前，于AA、B-B截面0.21m、1.25m、2.4m高度處預(yù)埋混凝土應(yīng)變計(jì)，位置如圖3所示，待墩頂混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度按順序?qū)ω?fù)彎矩鋼束進(jìn)行張拉，在張拉過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并做好記錄[5][6]，應(yīng)變計(jì)現(xiàn)場布置位置見圖4。

圖3 支點(diǎn)截面應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位cm）

圖4 應(yīng)變計(jì)現(xiàn)場布置

2 模型建立與對(duì)比驗(yàn)證

2.1 有限元模型建立

運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立試驗(yàn)段三跨簡支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋模型，以實(shí)際形狀布置負(fù)彎矩鋼束并按現(xiàn)場的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序劃分相應(yīng)施工階段。建模方法采用梁格法，縱向5片主梁采用空間梁單元模擬，通過主梁截面尺寸計(jì)算縱向梁格剛度，為模擬縱梁之間的橫向聯(lián)系，橫隔板按照實(shí)際位置及尺寸建模，計(jì)算其真實(shí)的自重和剛度，其他位置按實(shí)際主梁翼緣板剛度建立虛擬橫梁，虛擬橫梁不計(jì)自重，中橫梁位置進(jìn)行單元加密以保證其剛度。主梁臨時(shí)支座用一般支承模擬，結(jié)構(gòu)除考慮自重外還應(yīng)有施工荷載、預(yù)加力荷載、收縮徐變等[7][8]。張拉階段橋梁有限元模型見圖5。

圖5 張拉階段橋梁有限元模型

2.2 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比驗(yàn)證

通過Midas Civil有限元模型的計(jì)算，對(duì)比A-A、B-B截面1、2、3號(hào)應(yīng)變計(jì)位置處有限元計(jì)算值和現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，9-10及8-9墩頂負(fù)彎矩鋼束張拉前后A-A、B-B截面應(yīng)力對(duì)比分別見表1、表2。

張拉前后A-A截面應(yīng)力對(duì)比（單位MPa） 表1

張拉前后B-B截面應(yīng)力對(duì)比（單位MPa） 表2

由表1、表2可以看出有限元模型計(jì)算得出的A-A、B-B截面應(yīng)力值與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠較好的吻合，誤差最大值為9.81%，故認(rèn)為模型建立方法及過程正確、計(jì)算結(jié)果合理可靠，能夠反映結(jié)構(gòu)該部位真實(shí)受力情況，可作為分析截面應(yīng)力的依據(jù)[9]。

分析表1數(shù)據(jù)可知，9#墩頂負(fù)彎矩鋼束張拉前A-A截面上緣受壓下緣受拉，截面應(yīng)力值較小均小于0.2MPa，張拉后截面處于全截面受壓狀態(tài)，且截面上、下緣壓應(yīng)力有明顯增大，說明張拉負(fù)彎矩鋼束會(huì)使支點(diǎn)截面應(yīng)力發(fā)生較大變化。分析表2數(shù)據(jù)得出張拉8#墩頂負(fù)彎矩鋼束前，B-B截面同樣是上緣受壓下緣受拉且截面應(yīng)力值較小，但大于表1中應(yīng)力值，是因?yàn)榇藭r(shí)9-10已經(jīng)張拉完成，使B-B截面應(yīng)力變大，張拉完成后，截面承受壓應(yīng)力最大值為4.724MPa，應(yīng)力沿梁高呈線性變化，A-A、B-B截面鋼筋混凝土處于彈性受力階段，結(jié)構(gòu)受力安全。

3 負(fù)彎矩張拉階段應(yīng)力分析

3.1 張拉9#墩頂鋼束過程截面應(yīng)力分析

由有限元模型計(jì)算出張拉每束鋼絞線后 A-A、B-B截面 0.21m、1.25m、2.4m高度處的應(yīng)力值，用以分析負(fù)彎矩鋼束張拉過程中支點(diǎn)截面的應(yīng)力狀態(tài)，9#墩頂張拉過程中兩截面應(yīng)力的變化過程見圖6、圖7。

圖6 9#墩頂鋼束張拉過程A-A截面應(yīng)力值

圖7 9#墩頂鋼束張拉過程B-B截面應(yīng)力值

由圖6可以看出，初始A-A全截面受拉但拉應(yīng)力值較小，最大拉應(yīng)力為0.213MPa。隨著預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉，截面上緣出現(xiàn)壓應(yīng)力并逐漸增大，從圖中可以看出其變化趨勢(shì)越來越緩，說明從張拉T3鋼束到張拉T1對(duì)A-A截面應(yīng)力的影響依次減小。A-A截面1.25m高度處應(yīng)力同樣向壓應(yīng)力方向發(fā)展，基本呈直線變化。截面下緣應(yīng)力在0MPa左右變化，張拉T3拉應(yīng)力增大，張拉T2、T1向壓應(yīng)力反向變化，張拉鋼束對(duì)截面應(yīng)力的影響可分為兩部分，一部分是預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，表現(xiàn)為圖中1.25m處變化趨勢(shì)，另一部分是由于預(yù)應(yīng)力偏心引起彎矩進(jìn)而使上緣產(chǎn)生壓應(yīng)力、下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力，表現(xiàn)為圖中上下緣應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)，而T3鋼束張拉時(shí)第二部分起主導(dǎo)作用，于是截面下緣向拉應(yīng)力增大，T2、T1張拉時(shí)，第一部分影響較大，所以截面下緣應(yīng)力向壓應(yīng)力方向發(fā)展。

由圖7可知，B-B截面在初始狀態(tài)同樣全截面受拉，在張拉9#墩頂負(fù)彎矩鋼束過程中，截面上緣壓應(yīng)力不斷增大，但壓應(yīng)力總體較小，最大值達(dá)到0.504MPa。截面下緣拉應(yīng)力會(huì)逐漸變大，在鋼束張拉完成后會(huì)出現(xiàn)0.973MPa的拉應(yīng)力，圖中可以看出，上、下緣應(yīng)力變化趨勢(shì)逐漸變陡，說明T1鋼束張拉對(duì)B-B截面應(yīng)力的影響更加明顯，這是因?yàn)門1鋼束的錨固點(diǎn)更接近B-B截面。

對(duì)比圖6、圖7可以看出，張拉9#墩頂負(fù)彎矩鋼束對(duì)A-A截面上緣壓應(yīng)力及B-B截面下緣拉應(yīng)力影響較大，張拉完成后，A-A截面壓應(yīng)力明顯大于B-B截面，但最大值為4.849MPa，A-A截面受力安全，此時(shí)B-B截面下緣會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，所以應(yīng)該關(guān)注8#墩支點(diǎn)處，防止出現(xiàn)裂縫。

3.2 張拉8#墩頂鋼束過程截面應(yīng)力分析

在9#墩頂負(fù)彎矩鋼束張拉完成后，按照順序?qū)?#墩頂進(jìn)行張拉，其過程中A-A、B-B兩截面1、2、3號(hào)應(yīng)變計(jì)對(duì)應(yīng)位置處的應(yīng)力變化見圖8、圖9。

圖8 8#墩頂鋼束張拉過程A-A截面應(yīng)力值

圖9 8#墩頂鋼束張拉過程B-B截面應(yīng)力值

由圖8可以看出，由于通過A-A截面的預(yù)應(yīng)力鋼束已經(jīng)在前一階段全部張拉完成，所以張拉8#墩頂負(fù)彎矩鋼束前，A-A截面內(nèi)存在較大的壓應(yīng)力，在張拉過程中，仍然是截面上緣壓應(yīng)力增大，下緣向拉應(yīng)力方向發(fā)展，但總體變化幅度較小。由圖9可知，在此過程中BB截面的壓應(yīng)力有明顯增大，由張拉前的0.504MPa增加到最終的5.546MPa，B-B截面下緣拉應(yīng)力在張拉T3時(shí)增大，而張拉T2、T1時(shí)減小。

對(duì)比圖8、圖9可得，張拉8#墩頂負(fù)彎矩鋼束對(duì)A-A截面應(yīng)力影響較小，而對(duì)B-B截面影響偏大。張拉完成后，AA、B-B截面應(yīng)力分布狀況接近，均為上緣承受5.5MPa左右壓應(yīng)力，下緣承受0.43MPa左右拉應(yīng)力，應(yīng)力大小合理，結(jié)構(gòu)安全，且應(yīng)力沿梁高線性變化，處于彈性受力階段。

綜上所述，張拉墩頂負(fù)彎矩鋼束對(duì)鋼束通過的支點(diǎn)截面應(yīng)力有明顯影響，同時(shí)對(duì)相鄰支點(diǎn)截面有影響，且未張拉鋼束的受其影響較大，已張拉鋼束受到的影響較小。負(fù)彎矩鋼束的作用體現(xiàn)在合理設(shè)計(jì)的負(fù)彎矩鋼束能夠很好地限制支點(diǎn)截面拉應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而避免橋面裂縫的出現(xiàn)及張拉完成后的壓應(yīng)力儲(chǔ)備為后期承受二期恒載和活載等提供保障，發(fā)揮后連續(xù)的作用[10～11]。

4 結(jié)論

①橋梁在張拉9#、8#墩頂負(fù)彎矩鋼束過程中，兩支點(diǎn)截面上緣應(yīng)力向壓應(yīng)力方向發(fā)展，下緣應(yīng)力向拉應(yīng)力發(fā)展；張拉完成后，支點(diǎn)截面內(nèi)存儲(chǔ)5.5MPa左右的壓應(yīng)力，為承受后期荷載提供應(yīng)力儲(chǔ)備。

②張拉過程中，T3鋼束對(duì)負(fù)彎矩鋼束通過的支點(diǎn)截面應(yīng)力影響較大，T1鋼束對(duì)相鄰支點(diǎn)截面應(yīng)力影響較大。

③A-A截面上緣在整個(gè)張拉過程中拉應(yīng)力較小，B-B截面上緣最大拉應(yīng)力在出現(xiàn)在8#墩頂?shù)腡3鋼束張拉完成時(shí)，為0.973MPa，未超過C50混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。