簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋施工過程截面應(yīng)力分析

賈艷敏，郭東升，陶永靖

(1．東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040;2．遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110100)

簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋施工過程截面應(yīng)力分析

賈艷敏1，郭東升2，陶永靖1

(1．東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040;2．遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110100)

以寶貝河大橋第三聯(lián)為工程背景，實(shí)測簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋各施工階段跨中及支點(diǎn)截面應(yīng)變，并利用Midas/Civil有限元軟件建立橋梁模型，按照現(xiàn)場施工工序模擬橋梁施工過程。結(jié)果顯示:跨中截面在整個(gè)施工階段受力合理，結(jié)構(gòu)安全;唯在張拉負(fù)彎矩鋼束前支點(diǎn)截面處于不利的受力狀態(tài)，建議在設(shè)計(jì)及施工過程中對(duì)該位置加以關(guān)注。

簡支轉(zhuǎn)連續(xù) 施工過程 應(yīng)力分析

先簡支后連續(xù)的建橋方法兼顧了簡支梁橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)，其數(shù)量在我國混凝土梁橋中占相當(dāng)大的比重。這種結(jié)構(gòu)形式施工周期短而且不用滿堂支架，從而減小施工對(duì)交通的影響，所以在許多橋梁中得以優(yōu)先考慮［1-2］。連續(xù)梁在各種恒載及活載的作用下，其正彎矩區(qū)梁體下緣受拉、上緣受壓，能夠充分發(fā)揮鋼筋和混凝土這兩種材料各自的性能，而負(fù)彎矩區(qū)的受力正好與其相反，表現(xiàn)為上緣受拉而下緣受壓，這就需要在T梁頂緣的翼板中布置預(yù)應(yīng)力鋼束，從而改善其受力性能［3-4］?？缰薪孛婧椭c(diǎn)截面分別為這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)最具代表性的截面，因此了解這兩個(gè)截面的應(yīng)力狀況，有助于分析橋梁整體受力。

本文以呼朔高速公路呼和浩特至殺虎口段和托連接線上K45+191處寶貝河大橋?yàn)橐劳?，從簡支架設(shè)主梁到施工成橋的各施工階段，對(duì)跨中截面及支點(diǎn)截面進(jìn)行應(yīng)變實(shí)測，結(jié)合Midas/Civil有限元模型計(jì)算值對(duì)施工全過程中兩截面應(yīng)力進(jìn)行分析。

1 工程概況

寶貝河大橋?yàn)槿?lián)10跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，試驗(yàn)取第三聯(lián)(8，9，10三跨)的支點(diǎn)、跨中截面進(jìn)行應(yīng)變測量。橋梁跨徑40 m，橋?qū)?2.25 m，采用C50混凝土，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線，先簡支后連續(xù)方法施工。施工過程為:簡支架設(shè)各跨主梁→澆筑中橫梁→依次張拉負(fù)彎矩鋼束→縱向濕接縫施工→體系轉(zhuǎn)換(拆除臨時(shí)支座)→施工防撞欄桿及橋面鋪裝。試驗(yàn)段總體布置見圖1。

圖1 第三聯(lián)總體布置(單位:cm)

在主梁B-B及C-C截面如圖2中1，2，3，4位置處埋置縱向混凝土應(yīng)變計(jì);在中支點(diǎn)A-A截面如圖3中1，2，3位置處埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，并在橋梁施工各階段對(duì)以上應(yīng)變計(jì)進(jìn)行跟蹤測量，獲取實(shí)測數(shù)據(jù)。

圖2 跨中截面應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)布置(單位:cm)

圖3 支點(diǎn)截面應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)布置(單位:cm)

2 Midas/Civil有限元模型建立

2.1 梁格法簡介

計(jì)算模型采用梁格法建立，梁格法的基本思路就是用等剛度的梁格來代替上部結(jié)構(gòu)［5］，要求當(dāng)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)區(qū)段和對(duì)應(yīng)的梁格作用相同荷載時(shí)兩者的撓曲變形相等，并且梁格所受的彎矩、剪力、扭矩都可以代替實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)區(qū)段內(nèi)力。此方法對(duì)于一般橋梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算完全可以滿足工程需求［6］。

2.2 模型建立

用梁格法對(duì)三跨簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T形梁橋上部結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行模擬，為保證模型計(jì)算結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力，模型尺寸、材料、施工過程等都嚴(yán)格按照現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行模擬。

模型主梁為空間梁單元，在墩頂部分適當(dāng)?shù)丶?xì)化單元;為更好地模擬主梁之間的橫向連接，翼緣板與主梁剛性連接且主梁橫向除建立橫隔板聯(lián)系外還建立虛擬聯(lián)系單元，濕接縫與主梁為鉸接，于是該處單元在橫向要釋放梁端約束。結(jié)構(gòu)承受自重、施工荷載、預(yù)應(yīng)力荷載，邊界條件用一般支承進(jìn)行模擬。

3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較和分析

3.1 計(jì)算值與實(shí)測值比較

通過有限元模型計(jì)算得出A-A，B-B，C-C截面內(nèi)應(yīng)變計(jì)位置在成橋狀態(tài)下的應(yīng)力值，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見表1、表2、表3。

表1 A-A截面應(yīng)力對(duì)比

由以上表中的數(shù)據(jù)比較可知，A-A，B-B，C-C截面內(nèi)應(yīng)力有限元模型計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值吻合良好，誤差最大值為8.89%。由此認(rèn)為所建立的有限元模型正確合理，能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)，為本文的分析提供了可靠依據(jù)。

表2 B-B截面應(yīng)力對(duì)比

表3 C-C截面應(yīng)力對(duì)比

對(duì)比表中數(shù)據(jù)可以看出，成橋狀態(tài)下跨中截面及支點(diǎn)截面均為受壓狀態(tài)，跨中截面壓應(yīng)力明顯大于支點(diǎn)截面，且支點(diǎn)截面壓應(yīng)力上緣大下緣小，跨中截面上緣小下緣大。對(duì)比表2、表3數(shù)據(jù)可知，中跨及邊跨的跨中截面應(yīng)力均呈線性變化，結(jié)構(gòu)受力安全，由于預(yù)應(yīng)力鋼束的影響，使邊跨跨中截面(C-C)上緣應(yīng)力大于中跨(B-B)，而下緣應(yīng)力小于中跨。

支點(diǎn)截面應(yīng)力大小由張拉負(fù)彎矩鋼束產(chǎn)生的壓力和未張拉時(shí)結(jié)構(gòu)的拉力共同提供，負(fù)彎矩鋼束的合理設(shè)計(jì)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)［7］，由表中數(shù)據(jù)可知，A-A截面沒有拉應(yīng)力產(chǎn)生，所以該橋梁負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)合理。成橋狀態(tài)下支點(diǎn)截面處于全截面受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力在2.0～4.3 MPa之間，發(fā)揮了混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)。截面上緣壓應(yīng)力大，下緣壓應(yīng)力小，沿梁高呈線性變化，說明截面混凝土處于彈性受力狀態(tài)。

3.2 施工過程應(yīng)力分析

由有限元模型計(jì)算得出各施工階段 A-A，B-B，C-C截面內(nèi)不同高度位置處的應(yīng)力值，分析截面內(nèi)不同高度位置的應(yīng)力在施工過程中的變化情況，圖4為A-A截面內(nèi)不同高度施工各階段應(yīng)力值。

圖4 A-A截面應(yīng)力值

圖5 支點(diǎn)截面各階段應(yīng)力狀態(tài)

由圖4可以看出A-A截面在整個(gè)施工階段以受壓為主，在中橫梁澆筑完成后，結(jié)構(gòu)由各跨主梁簡支狀態(tài)轉(zhuǎn)換為多次超靜定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)彎矩區(qū)，由圖中可知A-A截面應(yīng)力全部為負(fù)值，截面承受的拉應(yīng)力在0～1 MPa之間。張拉負(fù)彎矩鋼束使得應(yīng)力由拉應(yīng)力變化為壓應(yīng)力，截面上緣壓應(yīng)力增長明顯而下緣只有微小變化，使截面上緣儲(chǔ)存了4 MPa左右的壓應(yīng)力，它為結(jié)構(gòu)承受二期恒載以及成橋后活載提供了一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備;這也正體現(xiàn)了后連續(xù)的意義［8］。濕接縫使各主梁在橫向上連成一體，從而使受力更加均勻、合理，由于濕接縫的澆筑增大了結(jié)構(gòu)自重，截面上緣壓應(yīng)力減小。體系轉(zhuǎn)換過程拆除了臨時(shí)支座，引起支點(diǎn)截面較大的應(yīng)力變化，上緣壓應(yīng)力增加1.5 MPa左右。二期恒載在結(jié)構(gòu)上施加了較大的均布荷載，使支點(diǎn)截面上緣壓應(yīng)力減小，下緣壓應(yīng)力增大，二期鋪裝完成后，支點(diǎn)截面全截面受壓且上下緣壓應(yīng)力較為接近，在2.0～3.5 MPa之間。

綜合各階段應(yīng)力狀態(tài)可以看出，除在未張拉負(fù)彎矩鋼束時(shí)支點(diǎn)截面存在拉應(yīng)力(圖5)外，其他階段截面以受壓為主，受力狀態(tài)較合理，所以在負(fù)彎矩鋼束全部張拉前，是支點(diǎn)截面的薄弱期，應(yīng)該嚴(yán)格控制其上緣的拉應(yīng)力，避免裂縫出現(xiàn)。

跨中截面同樣以受壓為主，在張拉負(fù)彎矩鋼束完成后，截面上緣有出現(xiàn)拉應(yīng)力的可能，但數(shù)值不大。在體系轉(zhuǎn)換后，截面內(nèi)壓應(yīng)力最大，但其值在混凝土抗壓強(qiáng)度內(nèi)。

3.3 正應(yīng)力的橫向分布分析

分析橫向5片主梁(參見圖2)A-A截面梁頂位置及C-C截面梁底位置在不同施工階段的應(yīng)力值，可得主梁正應(yīng)力在橫向上的分布規(guī)律。

5片主梁各施工階段支點(diǎn)截面頂緣應(yīng)力基本相同，說明各主梁支點(diǎn)及跨中截面受力狀況相近，邊梁(1，5號(hào))應(yīng)力略大于中梁(2，3，4號(hào))是因?yàn)檫吜和鈧?cè)翼緣板比中梁短，故截面面積較小，應(yīng)力變大。對(duì)于各中梁，由于結(jié)構(gòu)、荷載、約束一致其應(yīng)力狀態(tài)也是相同的。

4 結(jié)論

1)簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T形梁橋支點(diǎn)截面在施工過程中應(yīng)力以受壓為主，只有在張拉負(fù)彎矩鋼束前截面上緣會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，鑒于混凝土抗拉強(qiáng)度很低，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意該處配筋，施工時(shí)在張拉負(fù)彎矩前也應(yīng)該關(guān)注該截面。

2)簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T形梁橋跨中截面在施工過程中承受較大的壓應(yīng)力，只有在負(fù)彎矩鋼束全部張拉完成后，截面上緣會(huì)出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，截面受力狀態(tài)良好，結(jié)構(gòu)安全。

3)橋梁施工完成后，支點(diǎn)截面和跨中截面全截面受壓，應(yīng)力沿梁高線性變化，截面混凝土處在彈性受力階段，且存儲(chǔ)一定的壓應(yīng)力，為后期承受活載提供一定的應(yīng)力儲(chǔ)備。

4)截面正應(yīng)力在橫向上分布較均勻，邊梁應(yīng)力稍大于中梁。

［1］盛可鑒．簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋的幾個(gè)關(guān)鍵問題研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013．

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U445.469

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．04

1003-1995(2015)07-0013-03

2014-08-31;

2015-04-06

賈艷敏(1962— )，女，內(nèi)蒙古牙克石人，教授，博士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)