預應力損失及合龍措施對大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓的影響

李 華，王 謙

(1.湖南高速工程咨詢有限公司，湖南 長沙 410000；2.中大檢測(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410006)

近年來，國家大力發展交通建設，橋梁既能作為跨越大型山谷及河流的標志性建筑，又能成為兩條路之間的連接線，在國家交通網的整體規劃中發揮著極為重用的作用。而眾多橋梁類型中，預應力連續剛構橋以其特有的優勢被廣泛應用的工程實際中，受到設計人員的青睞，受到施工人員的喜愛。基于現有的研究基礎上，以列夕特大橋為工程依托，采用有限元軟件midas Civil分析了混凝土預應力損失、中跨和龍頂推、邊跨平衡壓重對其施工過程和后期成橋10年內橋梁跨中累積位移的影響。

1 工程概況與有限元建模

列夕特大橋是孔跨布置為(110+235+110)m的雙肢薄壁連續剛構橋，根部梁段高從14.59 m按1.8次拋物線變化到中跨和龍梁段高5.59 m。橋墩為雙肢空心矩形墩，1#墩高53 m、2#墩高64 m。橋梁立面布置如圖1所示，主梁橫斷面如圖2所示。

圖1 列夕特大橋立面布置圖(單位：m)

圖2 列夕特大橋主梁橫斷面圖(單位：m)

采用有限元軟件midas Civil計算列夕特大橋施工階段和成橋10年階段內的受力和位移情況，主梁單元的劃分以該橋梁結構施工工序為依據，橋墩在過人孔位置細化單元，橋梁結構有限元計算模型如圖3所示。墩底采用固定約束，墩與梁連接采用彈性連接的剛性。

圖3 橋梁結構有限元midas Civil計算模型

2 預應力損失對橋梁跨中下撓的影響

2.1 預應力摩阻損失估計不足

由于孔道不可能完全順直且孔道的位置可能有偏差的原因，會產生預應力摩阻損失[1]，我國規范關于k、μ取值偏低。而我國目前的施工水平也很難保證預應力摩阻損失控制參數滿足設計要求，主要有以下幾個方面的原因[2]。

(1)波紋管出現小孔導致混凝土漿液進入管內，從而使管道內壁粗糙，即μ變大，摩阻損失增大。

(2)隨著預應力索長度的增加，預應力筋可能出現相互纏繞的現象，即μ變大，x變大，摩阻損失增大。

為研究預應力摩阻損失對橋梁跨中下撓的影響，分別考慮下面六組不同的k、μ值進行計算，并以工況一k=0.001 5，μ=0.17為基準，工況二k=0.001 5，μ=0.30，工況三k=0.003 0，μ=0.17，工況四k=0.001 30，μ=0.30，工況五k=0.001 45，μ=0.17，工況六k=0.001 45，μ=0.30為對象，研究不同的k、μ取值對跨中撓度的影響，其計算結果如圖4所示。

圖4 摩阻損失對跨中累積位移的影響

從圖4可知：橋梁跨中累積位移隨k、μ的增加而減少。在成橋階段，以工況一k=0.001 5，μ=0.17為基準，工況二到工況六的累積位移減少量分別為0.48、0.28、0.74、0.55、1.00 cm，在成橋十年階段，以工況一k=0.001 5，μ=0.17為基準，工況二到工況六的累積位移減少量分別為1.17、1.07、2.20、2.10、3.19cm。在不同的成橋階段，以工況一k=0.001 5，μ=0.17為基準，工況六k=0.001 45，μ=0.30的累積位減少最明顯，并且隨著時間的推移，減少的速度越來越快。從以上計算結果可以看出:預應力摩阻損失是連續剛構橋跨中下撓的一個重要原因。因此，在大跨度預應力混凝土連續剛構橋設計時建議適當放大波紋管孔道的k、μ值[3]。

2.2 有效預應力損失

根據相關試驗研究，8 a內預應力的長期損失可達到橋梁竣工時的有效預應力的16%[4]。有為研究縱向預應力損失對橋梁跨中下撓的影響，分別考慮橋梁全部縱向預應力降低5%、10%、15%、20%，以及底板束、頂板束、腹板束各自單獨降低20%。計算得到不同成橋階段預應力損失與橋梁跨中累積位移變化規律如圖5～圖6所示。

圖5 預應力損失對跨中累積位移的影響

圖6 預應力損失對跨中累積位移的影響

從圖5～圖6可知：橋梁成橋后不同階段，隨著全部縱向預應力的減小，橋梁跨中累積位移逐漸減少。成橋到成橋10年，全部縱向束預應力降低20%時，橋梁跨中累積位移減少4.42 cm。底板束預應力降低20%時，橋梁跨中累積位移減少1.84 cm。頂板束預應力降低20%時，橋梁跨中累積位移減少1.36 cm。腹板束預應力降低20%時，橋梁跨中累積位移減少1.22 cm。從上述結果看可以看出，底板束預應力降低影響最大，其次是頂板束，腹板束影響最小。當全部縱向束預應力降低20%引起的橋梁跨中累積位移的減少量，等于底板束、頂板束、腹板束預應力分別降低20%引起的各自橋梁跨中累積位移的減少量之和。

因此，預應力損失是連續剛構橋下撓的一個重要影響參數，在張拉預應力時應嚴格控制張拉應力，宜采用智能張拉技術。

3 中跨頂推合龍對橋梁跨中下撓的影響

3.1 水平剛度的計算

列夕特大橋主梁為變截面箱梁，計算梁體的等效剛度比較復雜，采用有限元軟件midas Civil計算其結果。為了計算1、2號墩的水平抗推剛度，計算了頂推力P為0、100、200、300 kN作用下的各墩頂水平位移，計算結果見表1。

從表1可知：對于1#墩，當頂推力增加100 kN時，墩頂水平位移增加1.27 mm，其單位位移頂推力為78.7 kN/mm。對于2#墩，當頂推力增加100 kN，墩頂水平位移增加2.16 mm，其單位位移頂推力為46.3 kN/mm，即K1=7.87×104kN/m，K2=4.63×104kN/m。

表1 墩頂水平位移與頂推力的關系

3.2 頂推力的計算

假設跨中合龍時為設計溫度，采用midas Civil計算恒載作用下10年1#墩墩頂水平位移為Δ1=40.36 mm，2號墩墩頂水平位移為Δ2=63.08 mm，根據合龍頂推力F=K×Δ，計算得F1=3 176 kN，F2=2 920 kN，當橋梁在設計合龍溫度合龍時，計算得到合龍頂推力為F=(F1+F2)/2=3 048 kN，考慮施工過程的方便性，最終確定合龍頂推力為F=3 000 kN。

3.3 頂推力大小對橋梁跨中下撓的影響

頂推力以分級加載的原則按500，1 000，2 000，3 000 kN分為4級加載，分別計算不同成橋階段頂推力大小與橋梁跨中累積位移變化規律如圖7所示。

圖7 頂推力對跨中累積位移的影響

從圖7可知，在成橋階段，隨著頂推力的增加，跨中撓度變化不是很明顯，在成橋十年階段，施加頂推力從0 kN增加到3 000 kN后，跨中累積位移由0.34 cm變成0.62 cm，橋梁跨中下撓量減小0.28 cm，因此，中跨合龍頂推對跨中下撓影響較小[5]。

4 邊跨平衡壓重對橋梁跨中下撓的影響

受各種因素的制約，連續剛構橋施工中會出現橋墩T構兩邊施工不對稱的情況，這時可采用不對稱懸澆配重措施，合適的配重方案對施工過程中內力狀態有利[6]。由于列夕特大橋邊中跨比只有0.468，懸臂澆筑26#梁段混凝，進行邊跨合龍后，需要填筑兩邊跨平衡壓重片石混凝土，中跨懸澆掛籃繼續前移，在中跨26#梁段上安裝調試掛籃，逐段懸臂澆筑中跨27#、28#梁段混凝土，然后拆除中跨懸澆掛籃，安裝中跨和龍吊架，進行中跨和龍段混凝土澆筑。

雙肢薄壁墩軸向力與邊中跨比值有關，邊跨平衡壓重可以適當增加邊跨部分應力，有效發揮材料的承載能力[7]。合適的邊跨平衡壓重可以增加外側墩柱的軸向力，使得兩墩柱軸力大致平衡，因此邊跨平衡壓重對調節主墩軸力能起到一定的作用[8]。對列夕特大橋施加邊跨壓重1 760 kN，以使得主墩兩墩柱軸力大致相等為施加邊跨壓重原則。同時考慮邊跨壓重荷載增加5%、10%、15%、20%對橋梁跨中累積位移的影響，計算得到不同邊跨平衡壓重作用下，橋梁跨中累積位移隨成橋時間的變化規律見圖8。

圖8 累積位移隨成橋時間的變化規律

由圖8可知：邊跨平衡壓重的增加對橋梁跨中累計位移的變化影響不大，可以忽略不計。在成橋10年階段，邊跨平衡壓重增加20%，橋梁跨中累計位移增加了0.01 cm。

5 結 論

以列夕特大橋為例，采用有限元軟件midas Civil分析了混凝土預應力損失、中跨和龍頂推和邊跨平衡壓重對其施工過程和后期成橋10年內橋梁跨中累積位移的影響，得出以下結論。

(1)預應力損失是大跨徑預應力混凝土連續剛構橋長期撓度下撓最主要的因素。橋梁縱向預應力鋼束中，對橋梁跨中長期撓度影響最大的是底板束，最小是腹板束。預應力損失相同比例，成橋10年階段導致的跨中下撓增加最明顯。

(2)高墩大跨連續剛構橋實施頂推合龍可以改善橋墩受力情況，但對跨中下撓的影響較小。

(3)通過改變邊跨平衡壓重的大小，發現其對橋梁跨中引起的累積位移變化不是很明顯。