施工工況對(duì)T梁預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的影響

宋玉寶 賈艷敏 程 文

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

施工工況對(duì)T梁預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的影響

宋玉寶 賈艷敏 程 文

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以三跨簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋?yàn)橐劳校瑢?duì)試驗(yàn)梁預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力吻合較好，并運(yùn)用Midas/Civil有限元軟件建立了全橋模型，分析了張拉負(fù)彎矩鋼束對(duì)主梁預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的影響，得出了一些有意義的結(jié)論。

簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力，應(yīng)力增量，Midas

近年來(lái)，由于簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋所具有的優(yōu)點(diǎn)，使該種橋型成為城市橋梁和高速公路橋梁建設(shè)中的業(yè)主第一選擇[1]。簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋中預(yù)應(yīng)力筋是關(guān)鍵受力構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力分布及其變化直接影響橋梁結(jié)構(gòu)承載力、剛度的變化[2]。因此，鑒于其重要性有必要對(duì)該種橋型在荷載作用下主梁預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化進(jìn)行研究。

本文依托實(shí)際工程，對(duì)該工程主梁預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力進(jìn)行施工階段監(jiān)測(cè)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Midas/Civil有限元模型值進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出張拉負(fù)彎矩鋼束對(duì)主梁預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的影響，為以后該類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)與分析提供參考。

1 工程概況

寶貝河大橋?yàn)?0跨預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，全橋分為(3×40+4×40+3×40)m三聯(lián)，結(jié)構(gòu)體系為先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)，橋梁跨徑L=40 m，橋梁全寬12.25 m，采用C50混凝土及標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)tk=1 860 MPa的低松弛鋼絞線，預(yù)埋金屬波紋管制孔，采用兩端同時(shí)張拉工藝，張拉控制應(yīng)力為0.75ftk。本試驗(yàn)選取最后一聯(lián)(8跨～10跨)第9跨4號(hào)梁(9-4號(hào)梁)為試驗(yàn)對(duì)象。橋梁總體布置情況見(jiàn)圖1，8號(hào)、9號(hào)墩頂4號(hào)梁負(fù)彎矩鋼束平面布置情況見(jiàn)圖2。

2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

T梁預(yù)制時(shí)在試驗(yàn)梁跨中(A—A)、四分點(diǎn)(B—B)、梁端(C—C)截面鋼束N1，N4的①～⑥測(cè)點(diǎn)上埋置混凝土應(yīng)變計(jì)。測(cè)點(diǎn)布置情況見(jiàn)圖3，圖4，儀器現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況見(jiàn)圖5。

2.2 試驗(yàn)工況

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，張拉1，2，3，5號(hào)梁墩頂負(fù)彎矩鋼束對(duì)4號(hào)主梁的跨中、四分點(diǎn)、支點(diǎn)鋼筋應(yīng)力影響較小，因此只分析張拉4號(hào)梁墩頂負(fù)彎矩鋼束對(duì)主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力的影響。該試驗(yàn)分為12個(gè)荷載工況：

9號(hào)墩頂張拉工況及橫向張拉順序?yàn)椋?-T3R(工況1)→4-T3L(工況2)→4-T2R(工況3)→4-T2L(工況4)→4-T1R(工況5)→4-T1L(工況6)。

8號(hào)墩頂張拉工況及橫向張拉順序?yàn)椋?-T3L(工況7)→4-T3R(工況8)→4-T2L(工況9)→4-T2R(工況10)→4-T1L(工況11)→4-T1R(工況12)。

縱向張拉順序?yàn)?號(hào)墩頂→8號(hào)墩頂。

3 模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

3.1 模型的建立

基于Midas/Civil軟件平臺(tái)，采用梁格法對(duì)寶貝河大橋進(jìn)行有限元軟件模擬[3]。在建模之前，需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的有限元建模過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃分析[4]。為了更好的模擬主梁間的橫向連接，主梁間建立虛擬橫向聯(lián)系單元。9-4號(hào)梁負(fù)彎矩鋼束張拉劃分為12個(gè)施工階段。對(duì)墩頂處的模擬采用實(shí)體，更真實(shí)的模擬墩頂現(xiàn)澆段，使該仿真模型更加接近試驗(yàn)橋梁。全橋共2 250個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 629個(gè)單元，正彎矩鋼束75根，負(fù)彎矩鋼束60根。橋梁有限元模型半幅見(jiàn)圖6。

3.2 模型驗(yàn)證與分析

通過(guò)對(duì)Midas/Civil有限元模型進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算得出A—A，B—B，C—C截面在工況12下(即最后一根負(fù)彎矩鋼束4-T1R張拉結(jié)束時(shí))的應(yīng)力值，將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算比較結(jié)果如表1～表3所示(表中壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù))。

表1 A—A截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

表2 B—B截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

表3 C—C截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

由表1～表3中數(shù)據(jù)可知，通過(guò)Midas/Civil有限元模型計(jì)算的理論值與實(shí)測(cè)值吻合較好，最大誤差約為8.3%，由此驗(yàn)證所建立的有限元模型是正確的。分析表中數(shù)據(jù)，在負(fù)彎矩鋼束張拉后可以看出測(cè)點(diǎn)位置均受壓。由于自重引起的正彎矩與預(yù)加力引起的負(fù)彎矩進(jìn)行疊加，使得跨中彎矩代數(shù)和小于四分點(diǎn)彎矩代數(shù)和，根據(jù)材料力學(xué)構(gòu)件截面應(yīng)力計(jì)算公式[5]，A—A截面下緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力較B—B截面測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力小，且壓應(yīng)力由梁下緣向上緣逐漸降低。由于負(fù)彎矩鋼束的作用，C—C截面壓應(yīng)力由梁下緣向上緣逐漸增加。壓應(yīng)力沿梁高呈線性分布，結(jié)構(gòu)受力良好。

4 負(fù)彎矩張拉對(duì)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力影響

4.1 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化分析

通過(guò)有限元模型計(jì)算，得出測(cè)點(diǎn)①～⑥在每個(gè)工況下的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力值，分析主梁預(yù)應(yīng)力筋在上述工況下的應(yīng)力變化趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7～圖10。

由圖7，圖8可以看出：在工況1～6作用下，N1，N4測(cè)點(diǎn)上的應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)，由此可知負(fù)彎矩鋼束張拉使主梁產(chǎn)生負(fù)彎矩，中性軸以下的混凝土受壓，鋼筋與混凝土共同變形[6]，預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生壓應(yīng)變，從而使得預(yù)應(yīng)力筋的永存有效預(yù)應(yīng)力減少。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移法可知[7]，對(duì)于超靜定梁梁端受到偏心力的作用使得梁端產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，根據(jù)轉(zhuǎn)角位移方程可知試驗(yàn)梁測(cè)點(diǎn)截面在負(fù)彎矩鋼束作用下所受內(nèi)力為負(fù)彎矩，使截面產(chǎn)生上拉下壓的內(nèi)力，因此模型計(jì)算結(jié)果符合構(gòu)件理論受力狀態(tài)。同時(shí)可以知道由于N4的測(cè)點(diǎn)位置沿梁高大于N1，因此N4預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力受負(fù)彎矩影響較N1大。

由圖9，圖10可以看出：在工況7～12作用下，N1跨中截面鋼束應(yīng)力減少，而四分點(diǎn)截面、支點(diǎn)截面鋼束應(yīng)力增加。N4跨中、支點(diǎn)鋼束應(yīng)力減小，四分點(diǎn)鋼束應(yīng)力增加。由于工況7～12為8號(hào)墩頂負(fù)彎矩束張拉，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)可知超靜定結(jié)構(gòu)受到負(fù)彎矩拉力的作用，使截面A—A受力為負(fù)彎矩內(nèi)力，而截面B—B、截面C—C受力為正彎矩內(nèi)力。因此在A—A斷面產(chǎn)生上拉下壓，而在B—B，C—C斷面產(chǎn)生上壓下拉的內(nèi)力，同樣滿足構(gòu)件理論受力狀態(tài)。對(duì)比圖9與圖10可以看出跨中、四分點(diǎn)截面鋼束N1，N4應(yīng)力變化一致，而支點(diǎn)截面則不同，這是由于對(duì)于支點(diǎn)斷面測(cè)點(diǎn)①位于中性軸之上，因此在正彎矩作用下測(cè)點(diǎn)①鋼束應(yīng)力減小，而測(cè)點(diǎn)⑥鋼束應(yīng)力增加。

4.2 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量變化分析

通過(guò)模型計(jì)算，測(cè)點(diǎn)①～⑥預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量值見(jiàn)圖11～圖14。

由圖11，圖12可以看出：在工況1～6作用下鋼束N1，N4的應(yīng)力增量均為負(fù)值，即均使預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力減小。對(duì)比圖11與圖12可知，鋼束N1上的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力減小值均小于鋼束N4上的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，且N1，N4應(yīng)力減小值最大分別為2.2 MPa，5.5 MPa，均是位于支點(diǎn)截面，負(fù)彎矩束張拉對(duì)N1，N4跨中應(yīng)力影響均小于支點(diǎn)截面。

由圖13，圖14可以看出：在工況7～12作用下對(duì)鋼束應(yīng)力影響與工況1～6不同，該工況使得鋼束N1四分點(diǎn)、支點(diǎn)截面的應(yīng)力增加，跨中截面應(yīng)力減少，對(duì)于鋼束N4跨中、支點(diǎn)截面應(yīng)力減少、而四分點(diǎn)應(yīng)力增加。對(duì)比圖13與圖14可知，跨中和四分點(diǎn)鋼束應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，支點(diǎn)的鋼束應(yīng)力變化趨勢(shì)相反，這符合上述鋼束應(yīng)力的分析，跨中測(cè)點(diǎn)在中性軸之下，受到負(fù)彎矩作用，測(cè)點(diǎn)均受壓，四分點(diǎn)測(cè)點(diǎn)位于中性軸之下，受到正彎矩作用，測(cè)點(diǎn)均受拉，而支點(diǎn)測(cè)點(diǎn)被中性軸分隔，受到正彎矩作用，梁上緣測(cè)點(diǎn)受壓，下緣測(cè)點(diǎn)受拉?？缰薪孛驿撌鴳?yīng)力變化最大，N1，N4應(yīng)力減小量分別為0.8 MPa，0.9 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際工程為依托，在負(fù)彎矩鋼束張拉的工況下對(duì)試驗(yàn)梁的跨中、四分之三、梁端預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)測(cè)值與模型理論值對(duì)比分析可以得到如下結(jié)論:

1)實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力及混凝土應(yīng)力理論值比較，二者應(yīng)力吻合的較好，試驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)用混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)是可行的，可供類(lèi)似工程參考。

2)通過(guò)模型計(jì)算分析預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化，可知在1～6工況下對(duì)N1，N4測(cè)點(diǎn)上的應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)，N4預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力受負(fù)彎矩影響較N1大。在7～12工況下跨中、四分點(diǎn)截面鋼束N1，N4應(yīng)力變化一致，而支點(diǎn)截面則不同，測(cè)點(diǎn)①鋼束應(yīng)力減小，而測(cè)點(diǎn)⑥鋼束應(yīng)力增加。

3)通過(guò)模型計(jì)算分析預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量變化，可知在1～6工況下鋼束N1，N4的應(yīng)力增量均為負(fù)值，即均使預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力減小。N1，N4應(yīng)力減小值最大分別為2.2 MPa，5.5 MPa，且位于支點(diǎn)斷面，負(fù)彎矩束張拉對(duì)N1，N4支點(diǎn)截面影響較大，因此施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)負(fù)彎矩束張拉應(yīng)力的控制。在7～12工況下跨中和四分點(diǎn)鋼束應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，支點(diǎn)的鋼束應(yīng)力變化趨勢(shì)相反，跨中截面鋼束應(yīng)力變化最大，N1，N4應(yīng)力減小量分別為0.8 MPa，0.9 MPa。

[1] 羅 皓.張拉控制應(yīng)力對(duì)簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋應(yīng)力影響研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013.

[2] 國(guó)茂華,侯建國(guó),陳守祥.某主廠房側(cè)煤倉(cāng)框架梁預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013(S1):135-138.

[3] 周水興,王小松,田維鋒，等.橋梁結(jié)構(gòu)電算[M].北京:人民交通出版社,2013:50-85.

[4] 葛俊穎.橋梁工程軟件Midas civil使用指南[M].北京:人民交通出版社,2013.

[5] 孫訓(xùn)方.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] 賈艷敏,高 力.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，2004.

[7] 李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

Influence of construction conditions on T-beam prestressed tendons stress

Song Yubao Jia Yanmin Cheng Wen

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

With three span simply supported continuous prestressed concrete T-beam bridge as the basis, stress monitoring of prestressed reinforcement of the tested beam, the measured stress are in good agreement with the theory stress. Using the finite element software Midas/Civil to establish the whole bridge model, analysis of tensioned negative moment reinforcement effects on prestressed tendons stress of main girder, some meaningful conclusions are drawn.

simply supported continuous, prestressed tendons stress, stress increment， Midas

2014-11-22

宋玉寶(1987- )，男，在讀碩士； 賈艷敏(1962- )，女，博士，博士生導(dǎo)師，教授； 程 文(1990- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)04-0164-03

U448.35

A