混凝土變截面箱梁橋頂板橫向預(yù)應(yīng)力工作寬度分析

喬 穎，林小雄，周記國(guó)

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭411021）

0 前 言

箱梁截面相比較于其他截面，有抗扭剛度大、行車平順等優(yōu)點(diǎn)，目前在40～150m的跨徑范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋已成為最主要的橋型之一［1］.在高速公路橋梁中，變截面混凝土連續(xù)箱梁橋一般采用單箱單室截面.隨著跨度的增大和頂板寬度的增加，跨中彎矩增大，車輛荷載和其他荷載會(huì)在混凝土箱梁的頂板下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力，通過(guò)在頂板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，來(lái)抵抗頂板下緣的拉應(yīng)力，但是在這一類的橋梁中，仍然出現(xiàn)了頂板縱向開(kāi)裂的病害［2］，頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋張拉后，會(huì)在頂板兩端加上一對(duì)預(yù)壓應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力由兩端向頂板中心傳遞的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一個(gè)力的擴(kuò)散，也就是力的擴(kuò)散角α，見(jiàn)圖1.

圖1 力的擴(kuò)散角

圖1中F為橫向預(yù)應(yīng)力的張拉力；α為預(yù)應(yīng)力在頂板的擴(kuò)散角；s為橫向預(yù)應(yīng)力筋的相鄰距離.

因?yàn)闄M向預(yù)應(yīng)力在頂板上傳遞時(shí)存在擴(kuò)散角，所以一個(gè)截面上的預(yù)應(yīng)力會(huì)影響到相鄰截面的頂板中心橫向應(yīng)力，根據(jù)實(shí)際的擴(kuò)散角來(lái)布置頂板橫向預(yù)應(yīng)力束，頂板中心的橫向應(yīng)力才能呈均勻分布.根據(jù)橫向預(yù)應(yīng)力在頂板上傳遞的擴(kuò)散角，選擇橫向預(yù)應(yīng)力的合理布置距離，可以使頂板上的橫向預(yù)應(yīng)力分布更加合理，對(duì)預(yù)防頂板縱向裂縫具有指導(dǎo)意義.

1 工程概況

湖南某橋?yàn)殛P(guān)鍵控制性工程.大橋全長(zhǎng)1376 m，主橋部分為45m＋5×80m＋45m連續(xù)剛構(gòu)，樁基最長(zhǎng)深度69m，最高墩達(dá)88m.左幅主橋共7個(gè)合攏段，合龍順序?yàn)橄戎锌?，后邊?因?yàn)橹骺鐬閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，所以選取半跨作為研究對(duì)象.該段箱梁的梁高由4.929m減小到2.5m，底板厚度由0.688m減小到0.28m，箱梁截面見(jiàn)圖2（圖中尺寸為mm）.

圖2 箱梁截面

2 有限元數(shù)值分析

用ANSYS對(duì)某特大橋的頂板中心橫向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3和圖4.

圖3 箱梁局部模型單元結(jié)構(gòu)

圖4 箱梁模型截面網(wǎng)格

通過(guò)ANSYS計(jì)算分析橫向預(yù)應(yīng)力在頂板的擴(kuò)散分布，對(duì)頂板上某單根橫向預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行模擬計(jì)算，其不同位置的橫向預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖如圖5所示.

圖5 單根預(yù)應(yīng)力在頂板的橫向預(yù)應(yīng)力云圖

由圖5可以看出，在頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋張拉后，橫向預(yù)應(yīng)力在頂板的傳遞范圍大致為45°的范圍內(nèi).由張拉端傳遞到頂板中心位置的過(guò)程中，橫向應(yīng)力也是呈逐漸減小的趨勢(shì).由橫向應(yīng)力云圖可以清晰看出，從翼板張拉端開(kāi)始橫向預(yù)應(yīng)力的傳遞，呈45°擴(kuò)散角傳遞，當(dāng)傳遞至腹板時(shí)，由于腹板的約束作用，橫向應(yīng)力變小，傳遞的范圍也會(huì)相應(yīng)的縮小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力穿過(guò)腹板厚，由于沒(méi)有了腹板的約束作用，又開(kāi)始呈45°擴(kuò)散角的傳遞.所以橫向預(yù)應(yīng)力在頂板的橫向分布規(guī)律可以歸納如下：從張拉端至頂板中心，橫向應(yīng)力是逐漸減小的.

由圖5可以看出，在預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁的不同位置，在頂板橫向預(yù)應(yīng)力的45°范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力對(duì)箱梁頂板的橫向應(yīng)力影響較大，在45°范圍外，影響很小，可以忽略不計(jì)，所以基本可以認(rèn)為：在箱梁頂板上，橫向預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散角 .通過(guò)擴(kuò)散角來(lái)分析頂板中心橫向預(yù)應(yīng)力變化曲線，在圖6的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁的半跨空間有限元分析中，1／4跨附近的頂板中心橫向預(yù)應(yīng)力較大，因?yàn)榇颂幗孛媸艿搅藘啥讼噜徑孛嫔系臋M向預(yù)應(yīng)力的影響，在頂板中心有橫向預(yù)應(yīng)力的疊加；在箱梁端部和跨中的頂板中心橫向預(yù)應(yīng)力較小，因?yàn)榇颂幨艿较噜忣A(yù)應(yīng)力的作用較小.

圖6 張拉后頂板中心橫向應(yīng)力

當(dāng)跨中附近張拉了橫向預(yù)應(yīng)力筋后，由于混凝土的泊松效應(yīng)，在箱梁頂板的縱向方向產(chǎn)生了拉應(yīng)力，如圖7所示.在張拉截面的腹板處以及相鄰的翼板處產(chǎn)生了縱向拉應(yīng)力，為0.064MPa，如果不加以控制，就有可能會(huì)產(chǎn)生裂縫.所以在跨中預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中，建議先張拉縱向預(yù)應(yīng)力筋，然后再?gòu)埨瓩M向預(yù)應(yīng)力筋，或者同時(shí)張拉，以免產(chǎn)生裂縫.

圖7 單根預(yù)應(yīng)力在頂板的縱向預(yù)應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

以湖南省某特大橋?yàn)檠芯勘尘?，用ANSYS建立了空間有限元模型，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散角以及單根橫向預(yù)應(yīng)力張拉后在頂板產(chǎn)生的影響作了研究和探討，主要結(jié)論如下：

（1）在頂板橫向預(yù)應(yīng)力的45°范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力對(duì)箱梁頂板的橫向應(yīng)力影響較大，在45°范圍外，影響很小，可以忽略不計(jì)，所以基本可以認(rèn)為：在箱梁頂板上，橫向預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散角α＝45°；

（2）預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁的半跨空間有限元分析中，1／4跨附近的頂板中心橫向預(yù)應(yīng)力較大，因?yàn)榇颂幗孛媸艿搅藘啥讼噜徑孛嫔系臋M向預(yù)應(yīng)力的影響，在頂板中心有橫向預(yù)應(yīng)力的疊加；在箱梁端部和跨中的頂板中心橫向預(yù)應(yīng)力較小，因?yàn)榇颂幨艿降南噜忣A(yù)應(yīng)力的作用較小；

（3）因?yàn)榛炷恋牟此尚?yīng)，張拉橫向預(yù)應(yīng)力會(huì)在箱梁頂板的縱向產(chǎn)生拉應(yīng)力，所以在跨中預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中，建議先張拉縱向預(yù)應(yīng)力筋，然后再?gòu)埨瓩M向預(yù)應(yīng)力筋，或者同時(shí)張拉，以免產(chǎn)生裂縫.

［1］ 鐘新谷.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫防治與研究［J］.鐵道工程與科學(xué)學(xué)報(bào)，2006（6）：7－14.

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