鋼束張拉順序對大懸臂蓋梁受力的影響分析

摘要：大懸臂蓋梁是入城段高速公路下部結構的主要形式。為研究鋼束張拉順序對蓋梁受力的影響，文章以某雙向八車道高速公路大懸臂蓋梁為分析對象，基于實體有限元軟件，分別建立了不同張拉順序下的蓋梁有限元模型，對成橋后的蓋梁受力進行了分析。結果表明：蓋梁混凝土主壓應力最大值位于懸臂根部，滿足規范要求，說明鋼束總體布置較為合理；蓋梁澆筑完成后，按照先張拉N2鋼束后張拉N3鋼束的張拉順序，蓋梁受力較優。

關鍵詞：高速公路；大懸臂蓋梁；張拉順序；實體有限元；施工階段應力

中文分類號：U448.21+4A441453

0引言

目前高速公路建設主線橋主要采用預制裝配式T梁和箱梁形式，互通多采用現澆箱梁形式，而決定一條高速公路橋梁規模大小的主要是主線橋。對于預制裝配式橋梁而言，上部結構大多在梁場預制，然后通過運梁車運送至工點后，采用吊裝或架橋機將單梁安裝就位。單梁橫向采用濕接縫相連接，形成多車道梁格體系。高速公路橋梁上部結構工業化程度高，施工速度快，而下部結構目前以現澆施工為主，下部結構的選型和施工是影響橋梁建設工期的重要因素。

近幾十年來，柱式墩是高速公路橋梁下部結構最常用的結構形式，柱式墩受力明確，采用常規桿系有限元軟件可以準確地對柱式墩蓋梁進行分析計算。隨著城市面積的不斷擴大，新建高速公路與繞城高速公路相接或連接城市快速路時，受城市景觀要求以及橋下空間限制等多重因素的影響，橋墩大多采用獨柱墩、小間距花瓶墩形式，此時蓋梁通常為大懸臂形式，蓋梁剪跨比小，梁單元效應不明顯，通常結合實體有限元軟件對大懸臂蓋梁進行計算分析。龔雄峰［1］基于橋梁博士和FEA分析軟件，分別采用梁單元和實體單元對超大懸臂蓋梁進行了受力分析，表明梁單元結果存在較大偏差；倪政斌［2］從優化設計角度闡述了大懸臂倒T型蓋梁設計要點并對施工技術進行了探討；展丙來等［3］通過模型設計和加載設計，分析了大懸臂蓋梁破壞形式和彎剪性能；趙海清等［4］從設計和施工方面分析了大懸臂蓋梁開裂病害所產生的原因；楊烈軍［5］分析了張拉順序對常規柱式墩蓋梁施工階段受力的影響。以上研究文獻雖然對大懸臂蓋梁設計和施工方面進行了一些研究，但缺少對此類蓋梁鋼束張拉順序的相關研究。對于大懸臂蓋梁而言，鋼束的設置情況對結構安全和懸臂長度緊密相關。基于此，本文擬采用ABAQUS軟件，利用生死單元法模擬鋼束張拉順序，以此研究蓋梁施工階段受力性能，為類似結構設計提供參考。

1工程背景

某高速公路設計速度為120 km/h，設計荷載為公路-Ⅰ級，地震加速度為0.1 g，地震烈度為Ⅶ度，整幅采用雙向八車道設計。入城段受橋下空間利用的影響，蓋梁設計為雙柱式花瓶墩形式，懸臂長度達到6.18 m。下部構造如圖1所示。

上部結構采用7片35 m跨徑的簡支預制小箱梁，梁高為1.9 m，鋪裝層采用0.1 m厚瀝青混凝土+0.1 m厚C40鋼筋混凝土，半幅橋寬為20.75 m，車道寬度為3.75 m。蓋梁和墩柱采用C40鋼筋混凝土，承臺和樁基采用C30鋼筋混凝土。蓋梁懸臂端部高度為1.7 m，蓋梁中部高度為2.5 m，蓋梁與墩身過渡圓曲線半徑為3 m。

根據成橋后蓋梁所受荷載情況，首先確定蓋梁預應力的總體布置，如圖2所示。橫向共布置3層5根N1、5根N2和5根N3鋼束，鋼束端部錨固位置豎向間距為0.45 m，均采用15-15.2鋼絞線形式。N1和N2鋼束倒角半徑均為20 m，N3鋼束倒角半徑為12 m。

2成橋后蓋梁受力分析

蓋梁鋼束張拉順序對施工階段蓋梁受力狀態有直接影響。根據成橋后蓋梁的受力情況，可以先進行鋼束的總體布置，在此基礎上，結合施工過程再確定鋼束張拉順序，以確保蓋梁全過程中滿足規范要求。該橋蓋梁按全預應力構件進行設計。

2.1有限元模型的建立

考慮到桿系梁單元對于不規則蓋梁進行分析時存在較大誤差，此處采用ABAQUS軟件，對蓋梁實際形狀進行建模。由于橋位地質良好，建模時不考慮承臺和樁基礎，將墩底進行固結處理。蓋梁和橋墩混凝土容重取26 kN/m3，彈性模量為32.5 GPa，泊松比為0.2；鋼束抗拉強度標準值為1 860 MPa，張拉控制應力取1 395 MPa，容重取78.5 kN/m3，彈性模量為195 GPa，泊松比為0.31。全預應力構件計算時偏不利不考慮普通鋼筋的作用。

進行有限元分析時，用桁架單元T3D2來模擬鋼束，用實體單元C3D10模擬混凝土。采用降溫法模擬鋼束的預應力，永存預應力取0.75倍的張拉控制應力。鋼束線膨脹系數取1.2×10-5（1/℃），可計算得到N1、N2和N3每根鋼束需降溫：ΔT=0.75×1 395/（1.2×10-5×195×103）=-447.1 ℃。鋼束和混凝土單元采用節點耦合連接，所建立的有限元模型如圖3所示。

2.2成橋后蓋梁受力分析

對于單個支座而言，上部結構自重下邊梁反力為1 064.6 kN，中梁反力為1 035.0 kN；二期恒載下邊梁反力為885.0 kN，中梁反力為938.2 kN。按照懸臂根部最不利，對活載位置進行試算，確定活載最不利加載位置。計算得到標準組合下，蓋梁混凝土主壓應力分布如圖4所示，鋼束橫橋向應力分布如圖5所示。

成橋后，鋼束應力為1 037～1 078 MPa，與假定的永存預應力1 046 MPa的偏差為0.8%～3.1%，考慮到蓋梁變形的影響，表明本次所采用的鋼束與混凝土節點耦合約束精度滿足要求，模型分析結果可靠。蓋梁混凝土主壓應力最大值位于懸臂根部，其數值為10.1 MPa，C40混凝土抗壓強度標準值fck=26.8 MPa。因此，蓋梁主壓應力滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）［6］中0.6fck=16.1 MPa的限值要求。計算結果進一步表明鋼束總體布置較為合理。

3鋼束張拉順序分析

在成橋后蓋梁受力分析結果的基礎上，對鋼束張拉順序進行研究。設計人員在進行預應力蓋梁設計時，往往忽視鋼束的張拉順序，而合適的張拉順序可以使蓋梁在施工階段始終處于良好的受力狀態，避免開裂等病害的發生。分別選取三種典型工況進行分析：（1）張拉順序1：N1→N2→N3→架梁→二期；（2）張拉順序2：N2→N3→架梁→N1→二期；（3）張拉順序3：N1→N3→架梁→N2→二期。以上每種工況下均包含5個施工步驟。

采用生死單元法模擬施工過程，分別提取三種張拉順序每個施工步驟下的主拉應力和主壓應力最大值，對應的變化曲線如圖6和圖7所示。

計算結果表明：

（1）施工階段蓋梁應力與鋼束的張拉順序密切相關，先依次張拉鋼束后架梁（張拉順序1）的最大壓應力和主拉應力均較大，蓋梁處于不利受力狀態。

（2）蓋梁澆筑完成后，先張拉N2鋼束，然后張拉N3鋼束，此時蓋梁頂面壓應力較大，相比于張拉順序3而言，較大的壓應力儲備在下一步架梁完成后可得到一定的卸載作用，架梁后蓋梁頂底均處于低水平的壓應力狀態。隨后再張拉N1鋼束，該鋼束增加了蓋梁頂面壓應力儲備，使蓋梁混凝土更好地承受后續二期恒載及活載作用。

（3）比較三種典型張拉順序，施工過程中，張拉順序2的蓋梁主壓應力和主拉應力均較小，在此張拉順序下，二期恒載施工完成后，蓋梁主壓應力分布如圖8所示，滿足規范要求，此張拉順序下蓋梁受力較優。

4結語

本文以某入城段高速公路大懸臂蓋梁為研究對象，對蓋梁設計情況進行了介紹，借助ABAQUS軟件分析了成橋狀態下蓋梁受力性能。在此基礎上，探討了鋼束張拉順序對蓋梁施工階段受力的影響。對于此類蓋梁而言，宜在蓋梁截面頂緣附近布設一排鋼束，在底緣鋼束張拉完成及架梁后，再進行頂緣鋼束張拉，可改善蓋梁整體應力分布，同時能夠有效緩解后續二期鋪裝及活載對蓋梁懸臂部分的負彎矩作用。

參考文獻：

［1］龔雄峰.超大懸臂雙柱預應力鋼筋混凝土蓋梁力學分析［J］.城市道橋與防洪，2022（12）：93-96，17.

［2］倪政斌.大懸臂倒T型預應力蓋梁設計與施工技術探討［J］.福建交通科技，2022（6）：50-55，65.

［3］展丙來，郗磊，姚曉飛，等.節段拼裝大懸臂PC蓋梁彎剪性能試驗研究［J］.公路，2021，66（12）：207-211.

［4］趙海清，譚桂華，王偉卿，等.高墩大懸臂預應力混凝土蓋梁開裂原因分析［J］.上海公路，2021（2）：57-59，88，167.

［5］楊烈軍.鋼束張拉順序對大截面倒T形蓋梁施工的影響［J］.四川建筑，2015，35（3）：202-204.

［6］JTG3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

作者簡介：黃雯（1988—），碩士，工程師，主要從事路橋工程設計工作。