鋼束定位偏差對預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁力學(xué)性能的影響研究

【摘要】

目前國內(nèi)中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋一般采用支架現(xiàn)澆法進(jìn)行施工，施工過程中由于施工工藝不規(guī)范，預(yù)應(yīng)力管道的施工未嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行，同時預(yù)應(yīng)力管道在施工過程中內(nèi)外壓力、彎曲和溫度變化等力學(xué)因素與設(shè)計階段的差異，以及預(yù)應(yīng)力管道的材料質(zhì)量問題都會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道定位與設(shè)計不符，此時就會導(dǎo)致梁體預(yù)應(yīng)力鋼束定位產(chǎn)生偏差，從而引起結(jié)構(gòu)力學(xué)性能發(fā)生變化。以某大橋（右幅）第三聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁為背景，在其他條件相同的情況下，僅考慮預(yù)應(yīng)力鋼束定位偏差，通過Midas/Civil建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)有限元模型，開展結(jié)構(gòu)力學(xué)性能計算分析和對比，為項目建設(shè)提供參考。

【關(guān)鍵詞】高速公路； 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁； 鋼束定位偏差； 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能； 有限元計算

【中圖分類號】U441+.5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2024-11-15

［作者簡介］曾愛萍（1977—），女，本科，工程師，主要研究方向為公路工程質(zhì)量安全管理。

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁具有整體性好、結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順性好、便于養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，因此在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，尤其在跨徑不太大、對橋下景觀有要求時應(yīng)用較多［4-6］。目前，中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁一般采用支架現(xiàn)澆法進(jìn)行施工，根據(jù)場地要求及特點(diǎn)，可采用整聯(lián)滿堂支架現(xiàn)澆或主跨支架現(xiàn)澆等方式。在施工過程中由于施工工藝不規(guī)范、預(yù)應(yīng)力管道材料質(zhì)量問題、管道內(nèi)外壓力和溫度變化等都會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道定位與設(shè)計產(chǎn)生偏差，從而影響結(jié)構(gòu)的受力和正常使用。

某大橋（右幅）第三聯(lián)預(yù)應(yīng)力鋼束實測位置與設(shè)計產(chǎn)生偏差，本文應(yīng)用Midas/Civil橋梁軟件建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁有限元模型，分析鋼束定位偏差對梁體結(jié)構(gòu)受力性能的影響，為預(yù)應(yīng)力鋼束張拉施工的偏差分析及其影響提供借鑒和參考。

1 工程概況

某大橋（右幅）共有10聯(lián)，本文對其第三聯(lián)（③～⑤號墩，位于第4跨和第5跨）鋼束定位偏差對結(jié)構(gòu)受力的影響進(jìn)行研究。上部結(jié)構(gòu)采用2×36.65 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，并與相鄰梁跨之間設(shè)置80型伸縮縫以滿足梁體縱向變形要求，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。箱梁主體采用C50混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32.4 MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.65 MPa，設(shè)計荷載等級采用公路—I級，設(shè)計洪水頻率為1/100，橋型布置如圖1所示。

第三聯(lián)橋面寬度為24.6 m，橫向布置四個支座，橋面鋪裝層采用10 cm瀝青混凝土。第三聯(lián)梁體橫截面采用單箱多室截面，共有五個箱室，第4跨和第5跨均布置兩道橫隔板增加梁體剛度，橫隔板間距為11.917 m。

預(yù)應(yīng)力鋼束的型號有N1～N4四種，鋼束規(guī)格均為14As15.2，鋼絞線抗拉強(qiáng)度設(shè)計值fpk=1860 MPa，N1、N2、N3和N4鋼束全斷面布置12束，張拉方式均采用兩端張拉。

由于第4跨和第5跨梁體結(jié)構(gòu)和鋼束的布置關(guān)于4號墩對稱，故以第4跨為例，梁體一般構(gòu)造和鋼束布置見圖2。

2 鋼束定位偏差情況

現(xiàn)場實際施工中鋼束定位偏差限于篇幅，此處僅展示③號墩處的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知第6列鋼絞線的定位偏差最大，達(dá)到0.24 m。

3 受力分析

3.1 整體受力分析

采用Midas/Civil有限元軟件，按照規(guī)范分別對原設(shè)計和考慮鋼束定位偏差的實際橋梁進(jìn)行建模分析計算（圖3）。

荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、二期鋪裝、汽車荷載、溫度荷載，并按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》［7］的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取值和荷載組合。主梁驗算按照J(rèn)TG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》［8］執(zhí)行。

根據(jù)規(guī)范進(jìn)行持久狀況承載能力驗算，結(jié)果包絡(luò)曲線如圖4和圖5所示，可以看出作用效應(yīng)乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)求得彎矩和剪力組合設(shè)計值γMuy、γVu均小于其對應(yīng)承載能力Mny和Vn，承載能力驗算滿足要求。

結(jié)構(gòu)的正截面和斜截面抗裂驗算結(jié)果如圖6和圖7所示，可以看到主梁全截面受壓，正截面混凝土應(yīng)力沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力；原設(shè)計和實際橋梁的斜截面混凝土主拉應(yīng)力σtp最大值均為0.96 MPa≤0.4ftk=1.06 MPa，所以結(jié)構(gòu)的正截面和斜截面抗裂驗算均滿足要求。

經(jīng)計算，原設(shè)計和實際橋梁的斜截面混凝土主壓應(yīng)力分別為9.13 MPa和9.26 MPa均小于0.6fck=19.44 MPa，正截面混凝土法向壓應(yīng)力均為9.26 MPa≤0.5fck=16.2 MPa，滿足規(guī)范要求。主梁其他驗算指標(biāo)如撓度、受拉區(qū)的鋼筋應(yīng)力和短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力也均滿足要求，詳細(xì)計算結(jié)果此處不再贅述。

3.2 局部受力分析

③號墩和⑤號墩處第6列的鋼束定位偏差最大，故根據(jù)JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》［8］中8.2節(jié)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行錨固區(qū)局部受力驗算，驗算結(jié)果如圖8所示。

由圖8驗算結(jié)果可知，雖然鋼束定位偏差使錨下劈裂力有所增大，但兩種情況下錨固區(qū)局部受力驗算各項指標(biāo)均小于其承載力，滿足規(guī)范要求，說明鋼束定位偏差不會對箱梁錨固區(qū)的局部受力產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

本文以某大橋（右幅）第三聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為研究對象，對原設(shè)計和實際施工橋梁運(yùn)用有限元分析的思路與方法開展了整體受力和錨下局部受力分析和對比，探尋鋼束定位偏差對梁體受力的影響，得出結(jié)論與建議：

（1）兩種情況下結(jié)構(gòu)整體受力分析的持久狀況承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗算等各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，鋼束定位偏差不會對梁體整體受力產(chǎn)生影響。

（2）鋼束定位偏差主要影響錨下局部受力。經(jīng)驗算，本工程中鋼束定位偏差帶來的錨下劈裂力、錨固面邊緣剝裂力和受拉側(cè)邊緣拉力三項錨固區(qū)局部受力驗算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）由于可能受到其他不可預(yù)見性施工誤差的影響，建議在預(yù)應(yīng)力張拉施工中嚴(yán)格按照圖紙中設(shè)計要求進(jìn)行作業(yè)。同時在張拉過程中，應(yīng)密切關(guān)注箱梁變形和錨固區(qū)混凝土工作狀態(tài)，如遇變形和錨下開裂趨勢快速增大，應(yīng)立即停止施工，并采取措施予以控制。

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