波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋參數(shù)敏感性分析

杜巖松，宋濤，王保群

山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357

0 引言

波形鋼腹板廣泛應(yīng)用于我國各類橋梁結(jié)構(gòu)中，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?qū)⒊Ｒ?guī)混凝土腹板替換為波形鋼腹板，常規(guī)混凝土腹板抗彎、抗剪性能優(yōu)越，預(yù)應(yīng)力損失較小[1-6]。波形鋼腹板的手風(fēng)琴效應(yīng)減少了混凝土收縮徐變，解決了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板開裂的問題[7-9]，對實現(xiàn)橋梁的經(jīng)濟性、美觀性及節(jié)能省材有重大意義[10-11]。應(yīng)用波形鋼腹板能使主梁質(zhì)量減小30%左右，波形鋼腹板中附帶的加筋板很大程度上解決了跨中下?lián)蠁栴}[12]。

分析橋梁參數(shù)敏感性是定量分析某些不穩(wěn)定因素對橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度，我國大跨徑波形鋼腹板梁橋數(shù)量不多，這方面的研究比常規(guī)梁橋少。影響波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土大跨徑連續(xù)梁橋的因素較多，本文借助有限元分析手段，綜合分析主梁質(zhì)量、主梁混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力鋼筋損失和混凝土收縮徐變等參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響程度，即參數(shù)敏感性，確定主要、次要參數(shù)，以期為現(xiàn)場施工控制提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)，保證成橋后的線形平順和結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

1 工程概況

減河大橋是京臺高速公路德州(魯冀界)至齊河段改擴建工程，橋梁右幅跨徑為92 m+142 m+86 m(左幅跨徑為86 m+142 m+86 m)，主橋上部結(jié)構(gòu)為波形鋼腹板變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，分幅設(shè)置，單幅橋?qū)?0.5 m，橋梁單向坡度為2%，單箱雙室截面。該橋主橋橋型布置見圖1、2(圖1中單位為cm;圖2中H為變截面箱梁橫斷面中心高度,cm)。

圖1 減河大橋橋型布置示意圖

圖2 減河大橋箱梁典型斷面示意圖

2 結(jié)構(gòu)計算模型

采用Midas Civil軟件建立減河主梁大橋主梁右幅有限元模型，如圖3所示。

圖3 減河大橋主梁右幅有限元模型

主梁采用組合單元模擬，對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。該橋右幅模型中包括105個節(jié)點，90個梁單元。全橋共56根縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋，其中51根體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋，5根體外預(yù)應(yīng)力鋼筋。主梁0#塊位置的臨時支撐采用固結(jié)、剛性連接。主梁所受荷載包括主梁自重、預(yù)應(yīng)力、橫隔板自重、掛籃、邊跨壓重、二期恒載。

建模時將橫隔板自重等效成節(jié)點荷載考慮。該橋采用懸臂現(xiàn)澆方式，將掛籃自重等效成節(jié)點荷載施加。二期鋪裝采用梁單元荷載模擬[13-16]。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

通過定量分析減河大橋結(jié)構(gòu)，將主梁質(zhì)量、主梁的混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力損失以及混凝土的收縮徐變作為主控參數(shù)，通過有限元分析軟件計算其對主梁頂板、底板應(yīng)力和主梁撓度的影響程度，最終確定參數(shù)敏感性。

3.1 主梁質(zhì)量

在施工過程中，多方面原因?qū)е轮髁嘿|(zhì)量發(fā)生變化，如混凝土彈性模量變化，實際施工時施加混凝土過多，振搗器局部老化或工人水平局限導(dǎo)致混凝土局部密實度不同，溫度變化、陽光直射及雨淋等環(huán)境原因?qū)е履０遄冃?，或尺寸與原尺寸相差較大等[17-18]。本文分析主梁質(zhì)量分別增加5%、10%時對主梁頂板、底板應(yīng)力和主梁撓度的不同影響，結(jié)果見圖4、5。

圖4 主梁質(zhì)量增加時梁單元頂板、底板應(yīng)力變化 圖5 主梁質(zhì)量增加時主梁豎向撓度變化曲線

由圖4、5可知：主梁質(zhì)量在一定范圍內(nèi)小幅變化對主梁撓度和應(yīng)力的影響較大。主梁質(zhì)量增加時，0#塊位置底板應(yīng)力變化較大，邊跨合龍?zhí)庬敯鍛?yīng)力變化較大，邊跨合龍、中跨合龍?zhí)幹髁贺Q向撓度變化較大。因施工中存在一定誤差，實際的撓度變化比理論變化大，所以主梁質(zhì)量增加對撓度變化的影響更大。

因此，邊跨合龍、0#塊位置和中跨合龍?zhí)帪閼?yīng)力和撓度主要變化區(qū)域，應(yīng)對其著重監(jiān)測，以保證成橋后的結(jié)構(gòu)安全和線形平順。

3.2 主梁混凝土彈性模量

主梁混凝土理論彈性模量與施工時的實際彈性模量不同，結(jié)構(gòu)剛度與預(yù)期不同?？紤]混凝土彈性模量分別增加5%、10%兩種情況，對結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果見圖6、7。

圖6 彈性模量增加時頂板、底板應(yīng)力變化曲線 圖7 彈性模量增加時主梁豎向撓度變化曲線

由圖6、7可知：混凝土彈性模量小幅變化對結(jié)構(gòu)影響不明顯?；炷翉椥阅Ａ吭黾訒r，應(yīng)力變化范圍較小?；炷翉椥阅Ａ坎皇怯绊懼髁簯?yīng)力變化的主要原因。混凝土彈性模量增加5%和10%，主梁最大撓度變化分別為2.63、5.03 mm，彈性模量的增大造成豎向撓度的增大?；炷翉椥阅Ａ吭龃髸r，邊跨合龍?zhí)帗隙茸兓^大。

因此，若混凝土彈性模量由5%遞增至10%，豎向撓度變化約增大1倍，可將混凝土彈性模量作為次要參數(shù)考慮[19]。

3.3 預(yù)應(yīng)力損失

預(yù)應(yīng)力筋與管道壁摩擦、錨具變形、鋼筋與臺座間的溫差、混凝土彈性壓縮和鋼筋松弛均引起預(yù)應(yīng)力損失[20-22]，考慮預(yù)應(yīng)力分別減少5%、10%兩種情況，對結(jié)構(gòu)影響結(jié)果見圖8、9。

由圖8、9可知：預(yù)應(yīng)力在一定范圍內(nèi)的小幅損失對主梁應(yīng)力和撓度影響較大。預(yù)應(yīng)力減少時，邊跨合龍、中跨合龍?zhí)幹髁旱装鍛?yīng)力變化較大，0#塊位置主梁頂板應(yīng)力變化較大，中跨合龍?zhí)幹髁簱隙茸兓^明顯。

圖8 預(yù)應(yīng)力損失減少時底板、頂板應(yīng)力變化曲線 圖9 預(yù)應(yīng)力損失減少時主梁豎向撓度變化曲線

因此，邊跨合龍?zhí)?、中跨合龍?zhí)幒?#塊位置為主要影響區(qū)域[23-24]。預(yù)應(yīng)力損失應(yīng)作為施工過程中的關(guān)鍵控制參數(shù)，加強監(jiān)控。

3.4 混凝土的收縮徐變

現(xiàn)澆混凝土若沒有達(dá)到應(yīng)有的養(yǎng)護(hù)齡期就投入使用，混凝土收縮徐變將非常明顯，影響橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形[25]。分析成橋1、3、5、10 a時的收縮徐變，對結(jié)構(gòu)影響結(jié)果見圖10、11。

圖10 混凝土收縮徐變不同時頂板、底板應(yīng)力變化曲線 圖11 混凝土收縮徐變不同時主梁豎向撓度變化曲線

由圖10、11可知：混凝土收縮徐變隨著成橋年限增長，對主梁結(jié)構(gòu)的影響程度增大，符合混凝土徐變原理。隨著成橋年限增長，邊跨合龍、中跨合龍?zhí)幍装鍛?yīng)力變化較大，0#塊位置底板應(yīng)力變化較大，主梁撓度變化增大。

成橋10 a，底板最大和最小應(yīng)力變化分別為1.00、-0.10 MPa。邊跨合龍?zhí)帯⒅锌绾淆執(zhí)幒?#塊位置應(yīng)力和撓度變化較大。在實際施工時應(yīng)將混凝土收縮徐變作為主要控制參數(shù)，著重對邊跨合龍?zhí)?、中跨合龍?zhí)幒?#塊3個位置進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)論

1)主梁質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力損失和混凝土收縮徐變對橋梁的應(yīng)力、撓度影響均較大，將其作為主要控制參數(shù)。主梁混凝土彈性模量變化對結(jié)構(gòu)影響較小，可作為次要控制參數(shù)。邊跨合龍?zhí)?、中跨合龍?zhí)幒?#塊位置各參數(shù)變化較大，在實際施工時應(yīng)對上述位置加強施工監(jiān)控，保證橋梁成型后線形平順。

2)現(xiàn)場施工時注意澆筑的混凝土體積的變化，確保模板位置正確及尺寸合適，完成澆筑后嚴(yán)格遵從混凝土養(yǎng)護(hù)時間，減小收縮徐變對橋梁的影響。預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)短期內(nèi)影響最為明顯，須嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力損失，確保成橋后結(jié)構(gòu)安全，線形平順。

3)本文僅分析各項參數(shù)變化對橋梁主體的影響，沒有分析參數(shù)變化對局部構(gòu)件的影響，例如各參數(shù)變化對波形鋼腹板剪應(yīng)力的影響程度?？蛇M(jìn)一步分析波形鋼腹板混凝土連續(xù)梁橋局部附件其他力學(xué)性能的變化，獲得更準(zhǔn)確參考數(shù)據(jù)。