剛構(gòu)橋懸臂梁臨時(shí)張拉體外束降低后期徐變下?lián)涎芯?/h1>
2021-08-06 00:29:26李一瑋
施工技術(shù)(中英文) 2021年11期
李一瑋
(鄭州市工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 鄭州 450052)
0 引言
大跨預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)剛構(gòu)橋具有跨越能力強(qiáng)、施工簡便、經(jīng)濟(jì)性好、行車平順等特點(diǎn)，已成為世界上100～300m跨徑的主力橋型，我國20世紀(jì)80年代中期開始修建連續(xù)剛構(gòu)橋，至今方興未艾。趙磊以1座3跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔糜邢拊浖﨧IDAS/Civil建立橋梁分析模型，確定橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的各參數(shù)，根據(jù)不同受力工況分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。顏東煌等以貴州筍子巖大橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析大跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系闹饕蛩亍：铊F鋼以某施工大橋作為研究對(duì)象，建立施工大橋的仿真模型，探討預(yù)應(yīng)力損失在橋梁運(yùn)營過程中產(chǎn)生的影響，通過實(shí)際受力試驗(yàn)和裂縫分布進(jìn)行驗(yàn)證。大跨PC剛構(gòu)橋在后期運(yùn)營過程中，存在箱梁混凝土開裂問題，箱梁中超出設(shè)計(jì)許可的裂縫寬度和數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全性和耐久性構(gòu)成很大威脅，造成重大安全隱患，大跨PC剛構(gòu)橋開裂已成難題。本文以某大橋?yàn)橐劳泄こ?，分析臨時(shí)張拉體外束方案的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)比驗(yàn)證幾種臨時(shí)體外束方案的實(shí)施效果，建立仿真模型模擬分析各方案對(duì)橋梁運(yùn)營過程承載應(yīng)力、撓度及預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果可為實(shí)際施工提供參考。
1 工程背景
1.1 工程概況
以某大橋?yàn)橐劳泄こ蹋鐝讲贾脼?120+230+120)m PC剛構(gòu)橋。單箱單室箱形截面，箱梁梁高及底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁跨中梁高4.4m，根部梁高13.8m，頂板寬12m、厚0.3～0.6m，底板寬6.5m、厚0.32～1.3m。腹板厚1.0，0.95，0.8，0.65，0.5m，如圖1所示。該特大橋在縱、橫、豎3個(gè)方向施加預(yù)應(yīng)力。
圖1 箱梁截面(單位：cm)
1.2 臨時(shí)張拉體外束方案
采用4種臨時(shí)體外束方案，在2，7，14號(hào)塊上安放臨時(shí)體外束，如表1所示。除方案a外，其他方案均對(duì)底板進(jìn)行臨時(shí)張拉束，底板束與底板間距約60cm。以上各臨時(shí)體外束對(duì)稱，前后兩端張拉，張拉應(yīng)力要求在1 400MPa。
表1 各方案參數(shù)
2 數(shù)值分析
2.1 數(shù)值模型
使用有限元軟件MIDAS/Civil建立該大橋的有限元模型，如圖2所示，對(duì)成橋后結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行仿真模擬。
圖2 橋梁有限元模型
如圖2所示，綜合考慮橋梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋、橋梁主梁、柔性橋墩等結(jié)構(gòu)，使用有限元軟件構(gòu)建模型時(shí)，通過有限元軟件MIDAS/Civil的單元類型仿真模擬橋梁各結(jié)構(gòu)，根據(jù)施工情況對(duì)橋墩底部和邊跨固定自由度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和橋梁施工實(shí)際情況，確定橋梁仿真模型的相關(guān)基本參數(shù)，如預(yù)應(yīng)力束與管道壁的摩擦系數(shù)、預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度值等?；炷恋男熳兿禂?shù)、收縮應(yīng)變隨時(shí)間(單位為d)變化趨勢(shì)曲線如圖3所示。
圖3 混凝土徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變時(shí)程曲線
2.2 成橋后應(yīng)力分析
在橋梁跨中位置，在拆除臨時(shí)支護(hù)約束后一般會(huì)出現(xiàn)彈性回彈現(xiàn)象。拆除臨時(shí)體外束前后跨中截面和支點(diǎn)截面的應(yīng)力變化如圖4，5所示。
圖4 拆除臨時(shí)體外束對(duì)跨中截面應(yīng)力的影響
圖5 拆除臨時(shí)體外束對(duì)支點(diǎn)截面應(yīng)力的影響
分析3個(gè)方案在橋梁跨中位置拆除前后上、下緣應(yīng)力大小，方案1～3實(shí)施后有效降低跨中截面上緣壓應(yīng)力、增大跨中位置下緣壓應(yīng)力，方案a實(shí)施后對(duì)跨中截面的上、下緣壓應(yīng)力與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比產(chǎn)生效果較小；可看出對(duì)底板進(jìn)行臨時(shí)張拉束的布置越大，實(shí)施前后上、下緣壓應(yīng)力變化越大，其中方案3實(shí)施后上、下緣的壓應(yīng)力變化最大，產(chǎn)生效果最佳。
由圖4可知，拆除臨時(shí)體外束會(huì)導(dǎo)致跨中上緣壓應(yīng)力減小，而跨中下緣壓應(yīng)力增大。如圖6，7所示，對(duì)比成橋后跨中截面及支點(diǎn)截面的應(yīng)力變化，拆除臨時(shí)體外束后，各方案下緣應(yīng)力均有不同程度降低，各支點(diǎn)截面的下緣應(yīng)力基本相同，均在8MPa范圍內(nèi)。上緣應(yīng)力除方案a外，均有不同程度增大，其中方案3應(yīng)力增加最大。
圖6 成橋后跨中截面應(yīng)力時(shí)程曲線
由圖6a可知，方案1～3對(duì)橋梁的跨中位置產(chǎn)生的上緣壓應(yīng)力有減小效果，其中方案2產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于方案3，方案1產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于方案2，方案a實(shí)施效果與原設(shè)計(jì)方案效果基本無變化，作用不明顯。
由圖6b可知，方案1～3對(duì)橋梁的跨中位置產(chǎn)生的上緣壓應(yīng)力有增強(qiáng)效果，其中方案2產(chǎn)生的壓應(yīng)力小于方案3，方案1產(chǎn)生的壓應(yīng)力小于方案2，方案a實(shí)施效果與原設(shè)計(jì)方案效果基本無變化。分析方案3和原設(shè)計(jì)方案在下緣位置成橋后各時(shí)間點(diǎn)的壓應(yīng)力數(shù)據(jù)，方案3實(shí)施后跨中截面下緣壓應(yīng)力數(shù)值較原方案應(yīng)力值要大，表明方案3很好地提高了跨中截面抗裂性能。
由圖7可知，方案1～3和方案a支點(diǎn)截面上緣和下緣壓應(yīng)力基本與原設(shè)計(jì)相同，上緣壓應(yīng)力略減小而下緣略增大。分析各方案在成橋后支點(diǎn)截面應(yīng)力的時(shí)程曲線，成橋后支點(diǎn)截面下緣應(yīng)力在0～20年，方案3都較原方案應(yīng)力值大約0.3MPa，表明各方案與原方案的作用效果相比不顯著。
圖7 成橋后支點(diǎn)截面應(yīng)力時(shí)程曲線
3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與有限元結(jié)果對(duì)比分析
3.1 臨時(shí)體外束最終方案
根據(jù)上述模擬結(jié)果，并結(jié)合該依托工程實(shí)際情況，確定橋梁施工最終的臨時(shí)體外束方案，在2號(hào)梁段安放4根和7號(hào)梁段及14號(hào)梁段安放6根27φ15.24預(yù)應(yīng)力束，如表2所示，布置位置同方案1～3，增加底板的壓應(yīng)力。
表2 最終方案參數(shù)
3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果對(duì)比
考慮實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)各方面影響因素，測(cè)量數(shù)據(jù)充分控制精度，因此選取長期性、線形平穩(wěn)性較強(qiáng)，對(duì)施工過程中需采集應(yīng)變的重要保證截面(支點(diǎn)、L/4)，通過在連續(xù)梁截面處布置觀測(cè)釘和應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)施工應(yīng)力數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過專業(yè)的測(cè)量應(yīng)力的儀器采集。采集不同箱梁施工截面結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)與追蹤橋梁曲線變化情況，并分析梁懸臂端的合攏精度及橋面線形變化。
對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及有限元模型計(jì)算結(jié)果，如表3所示，施工階段，施工1～26號(hào)計(jì)算結(jié)果多，由于篇幅所限在此不闡述15～26號(hào)塊計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析，如圖8，9所示。
表3 原設(shè)計(jì)在恒載作用下關(guān)鍵梁段施工應(yīng)力(拉正、壓負(fù)) MPa
圖8 支點(diǎn)斷面應(yīng)力對(duì)比
圖9 L/4 斷面應(yīng)力對(duì)比
由圖8，9可知，在每個(gè)施工階段的支點(diǎn)和L/4截面的測(cè)量值基本上與計(jì)算值相差不大。截面上部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的22號(hào)分段位置處。
下部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的9號(hào)分段位置處。L/4截面上的壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差距在施工梁體的26號(hào)分段位置處，下部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的25號(hào)分段位置處，最大差值均滿足設(shè)計(jì)和施工要求。
此外，整理監(jiān)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力曲線符合理論應(yīng)力曲線的走勢(shì)和變化，說明所建立的計(jì)算模型與施工情況基本一致。
4 結(jié)語
以某大橋?yàn)橐劳泄こ蹋ㄟ^對(duì)大橋施工分析臨時(shí)體外束方案的可行性，對(duì)比研究4種臨時(shí)體外束方案的實(shí)施效果，通過理論分析各方案對(duì)橋梁運(yùn)營過程后承載應(yīng)力、撓度產(chǎn)生的影響。并根據(jù)有限元仿真分析及施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定了最終方案，其中監(jiān)測(cè)施工過程中應(yīng)力與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的可靠性強(qiáng)。最終得出以下結(jié)論。
1)大跨PC梁橋在施工階段各梁段截面上緣所受應(yīng)力較大，頂板徐變產(chǎn)生的撓度比底板的大，成橋后各梁段截面下緣應(yīng)力隨時(shí)間變化一直加大，底板徐變產(chǎn)生撓度比頂板的大，橋梁特別是跨中位置下?lián)蠂?yán)重，因此，采用臨時(shí)體外束增加在施工階段橋梁預(yù)應(yīng)力，特別是各梁體截面底板位置的壓應(yīng)力，來調(diào)整徐變變化從而減緩橋梁的結(jié)構(gòu)下?lián)稀?/p>
2)通過方案1～3在底板張拉臨時(shí)張拉束，增大成橋前梁體截面的下緣壓應(yīng)力，底板徐變?cè)诔蓸蚯盎就瓿?，使得橋梁?fù)彎矩區(qū)的轉(zhuǎn)角及跨中撓度減小，成橋后結(jié)構(gòu)由徐變引起的下?lián)蠝p小，方案3成橋后20年的時(shí)間點(diǎn)跨中下?lián)献冃瘟枯^原方案得到明顯改善，采用方案a均增大頂、底板位置的壓應(yīng)力時(shí)，拆除臨時(shí)體外束后跨中截面撓度變形量較方案1實(shí)施后下?lián)霞哟?，可知若加大施工階段頂板處壓應(yīng)力，拆除臨時(shí)體外束后作用適得其反。
3)通過以上分析與結(jié)論可知，在拆除臨時(shí)體外束時(shí)，梁體彈性回彈使主跨跨中底板壓應(yīng)力增加，有效提高了跨中截面抗裂性能和剛性。
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1 工程背景
1.1 工程概況
以某大橋?yàn)橐劳泄こ蹋鐝讲贾脼?120+230+120)m PC剛構(gòu)橋。單箱單室箱形截面，箱梁梁高及底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁跨中梁高4.4m，根部梁高13.8m，頂板寬12m、厚0.3～0.6m，底板寬6.5m、厚0.32～1.3m。腹板厚1.0，0.95，0.8，0.65，0.5m，如圖1所示。該特大橋在縱、橫、豎3個(gè)方向施加預(yù)應(yīng)力。
圖1 箱梁截面(單位：cm)
1.2 臨時(shí)張拉體外束方案
采用4種臨時(shí)體外束方案，在2，7，14號(hào)塊上安放臨時(shí)體外束，如表1所示。除方案a外，其他方案均對(duì)底板進(jìn)行臨時(shí)張拉束，底板束與底板間距約60cm。以上各臨時(shí)體外束對(duì)稱，前后兩端張拉，張拉應(yīng)力要求在1 400MPa。
表1 各方案參數(shù)
2 數(shù)值分析
2.1 數(shù)值模型
使用有限元軟件MIDAS/Civil建立該大橋的有限元模型，如圖2所示，對(duì)成橋后結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行仿真模擬。
圖2 橋梁有限元模型
如圖2所示，綜合考慮橋梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋、橋梁主梁、柔性橋墩等結(jié)構(gòu)，使用有限元軟件構(gòu)建模型時(shí)，通過有限元軟件MIDAS/Civil的單元類型仿真模擬橋梁各結(jié)構(gòu)，根據(jù)施工情況對(duì)橋墩底部和邊跨固定自由度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和橋梁施工實(shí)際情況，確定橋梁仿真模型的相關(guān)基本參數(shù)，如預(yù)應(yīng)力束與管道壁的摩擦系數(shù)、預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度值等?；炷恋男熳兿禂?shù)、收縮應(yīng)變隨時(shí)間(單位為d)變化趨勢(shì)曲線如圖3所示。
圖3 混凝土徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變時(shí)程曲線
2.2 成橋后應(yīng)力分析
在橋梁跨中位置，在拆除臨時(shí)支護(hù)約束后一般會(huì)出現(xiàn)彈性回彈現(xiàn)象。拆除臨時(shí)體外束前后跨中截面和支點(diǎn)截面的應(yīng)力變化如圖4，5所示。
圖4 拆除臨時(shí)體外束對(duì)跨中截面應(yīng)力的影響
圖5 拆除臨時(shí)體外束對(duì)支點(diǎn)截面應(yīng)力的影響
分析3個(gè)方案在橋梁跨中位置拆除前后上、下緣應(yīng)力大小，方案1～3實(shí)施后有效降低跨中截面上緣壓應(yīng)力、增大跨中位置下緣壓應(yīng)力，方案a實(shí)施后對(duì)跨中截面的上、下緣壓應(yīng)力與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比產(chǎn)生效果較小；可看出對(duì)底板進(jìn)行臨時(shí)張拉束的布置越大，實(shí)施前后上、下緣壓應(yīng)力變化越大，其中方案3實(shí)施后上、下緣的壓應(yīng)力變化最大，產(chǎn)生效果最佳。
由圖4可知，拆除臨時(shí)體外束會(huì)導(dǎo)致跨中上緣壓應(yīng)力減小，而跨中下緣壓應(yīng)力增大。如圖6，7所示，對(duì)比成橋后跨中截面及支點(diǎn)截面的應(yīng)力變化，拆除臨時(shí)體外束后，各方案下緣應(yīng)力均有不同程度降低，各支點(diǎn)截面的下緣應(yīng)力基本相同，均在8MPa范圍內(nèi)。上緣應(yīng)力除方案a外，均有不同程度增大，其中方案3應(yīng)力增加最大。
圖6 成橋后跨中截面應(yīng)力時(shí)程曲線
由圖6a可知，方案1～3對(duì)橋梁的跨中位置產(chǎn)生的上緣壓應(yīng)力有減小效果，其中方案2產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于方案3，方案1產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于方案2，方案a實(shí)施效果與原設(shè)計(jì)方案效果基本無變化，作用不明顯。
由圖6b可知，方案1～3對(duì)橋梁的跨中位置產(chǎn)生的上緣壓應(yīng)力有增強(qiáng)效果，其中方案2產(chǎn)生的壓應(yīng)力小于方案3，方案1產(chǎn)生的壓應(yīng)力小于方案2，方案a實(shí)施效果與原設(shè)計(jì)方案效果基本無變化。分析方案3和原設(shè)計(jì)方案在下緣位置成橋后各時(shí)間點(diǎn)的壓應(yīng)力數(shù)據(jù)，方案3實(shí)施后跨中截面下緣壓應(yīng)力數(shù)值較原方案應(yīng)力值要大，表明方案3很好地提高了跨中截面抗裂性能。
由圖7可知，方案1～3和方案a支點(diǎn)截面上緣和下緣壓應(yīng)力基本與原設(shè)計(jì)相同，上緣壓應(yīng)力略減小而下緣略增大。分析各方案在成橋后支點(diǎn)截面應(yīng)力的時(shí)程曲線，成橋后支點(diǎn)截面下緣應(yīng)力在0～20年，方案3都較原方案應(yīng)力值大約0.3MPa，表明各方案與原方案的作用效果相比不顯著。
圖7 成橋后支點(diǎn)截面應(yīng)力時(shí)程曲線
3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與有限元結(jié)果對(duì)比分析
3.1 臨時(shí)體外束最終方案
根據(jù)上述模擬結(jié)果，并結(jié)合該依托工程實(shí)際情況，確定橋梁施工最終的臨時(shí)體外束方案，在2號(hào)梁段安放4根和7號(hào)梁段及14號(hào)梁段安放6根27φ15.24預(yù)應(yīng)力束，如表2所示，布置位置同方案1～3，增加底板的壓應(yīng)力。
表2 最終方案參數(shù)
3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果對(duì)比
考慮實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)各方面影響因素，測(cè)量數(shù)據(jù)充分控制精度，因此選取長期性、線形平穩(wěn)性較強(qiáng)，對(duì)施工過程中需采集應(yīng)變的重要保證截面(支點(diǎn)、L/4)，通過在連續(xù)梁截面處布置觀測(cè)釘和應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)施工應(yīng)力數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過專業(yè)的測(cè)量應(yīng)力的儀器采集。采集不同箱梁施工截面結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)與追蹤橋梁曲線變化情況，并分析梁懸臂端的合攏精度及橋面線形變化。
對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及有限元模型計(jì)算結(jié)果，如表3所示，施工階段，施工1～26號(hào)計(jì)算結(jié)果多，由于篇幅所限在此不闡述15～26號(hào)塊計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析，如圖8，9所示。
表3 原設(shè)計(jì)在恒載作用下關(guān)鍵梁段施工應(yīng)力(拉正、壓負(fù)) MPa
圖8 支點(diǎn)斷面應(yīng)力對(duì)比
圖9 L/4 斷面應(yīng)力對(duì)比
由圖8，9可知，在每個(gè)施工階段的支點(diǎn)和L/4截面的測(cè)量值基本上與計(jì)算值相差不大。截面上部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的22號(hào)分段位置處。
下部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的9號(hào)分段位置處。L/4截面上的壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差距在施工梁體的26號(hào)分段位置處，下部壓應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大差值在施工梁體的25號(hào)分段位置處，最大差值均滿足設(shè)計(jì)和施工要求。
此外，整理監(jiān)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力曲線符合理論應(yīng)力曲線的走勢(shì)和變化，說明所建立的計(jì)算模型與施工情況基本一致。
4 結(jié)語
以某大橋?yàn)橐劳泄こ蹋ㄟ^對(duì)大橋施工分析臨時(shí)體外束方案的可行性，對(duì)比研究4種臨時(shí)體外束方案的實(shí)施效果，通過理論分析各方案對(duì)橋梁運(yùn)營過程后承載應(yīng)力、撓度產(chǎn)生的影響。并根據(jù)有限元仿真分析及施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定了最終方案，其中監(jiān)測(cè)施工過程中應(yīng)力與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的可靠性強(qiáng)。最終得出以下結(jié)論。
1)大跨PC梁橋在施工階段各梁段截面上緣所受應(yīng)力較大，頂板徐變產(chǎn)生的撓度比底板的大，成橋后各梁段截面下緣應(yīng)力隨時(shí)間變化一直加大，底板徐變產(chǎn)生撓度比頂板的大，橋梁特別是跨中位置下?lián)蠂?yán)重，因此，采用臨時(shí)體外束增加在施工階段橋梁預(yù)應(yīng)力，特別是各梁體截面底板位置的壓應(yīng)力，來調(diào)整徐變變化從而減緩橋梁的結(jié)構(gòu)下?lián)稀?/p>
2)通過方案1～3在底板張拉臨時(shí)張拉束，增大成橋前梁體截面的下緣壓應(yīng)力，底板徐變?cè)诔蓸蚯盎就瓿?，使得橋梁?fù)彎矩區(qū)的轉(zhuǎn)角及跨中撓度減小，成橋后結(jié)構(gòu)由徐變引起的下?lián)蠝p小，方案3成橋后20年的時(shí)間點(diǎn)跨中下?lián)献冃瘟枯^原方案得到明顯改善，采用方案a均增大頂、底板位置的壓應(yīng)力時(shí)，拆除臨時(shí)體外束后跨中截面撓度變形量較方案1實(shí)施后下?lián)霞哟?，可知若加大施工階段頂板處壓應(yīng)力，拆除臨時(shí)體外束后作用適得其反。
3)通過以上分析與結(jié)論可知，在拆除臨時(shí)體外束時(shí)，梁體彈性回彈使主跨跨中底板壓應(yīng)力增加，有效提高了跨中截面抗裂性能和剛性。
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