鋼束張拉順序?qū)Υ髴冶凵w梁受力的影響分析

摘要：大懸臂蓋梁是入城段高速公路下部結(jié)構(gòu)的主要形式。為研究鋼束張拉順序?qū)ιw梁受力的影響，文章以某雙向八車道高速公路大懸臂蓋梁為分析對象，基于實(shí)體有限元軟件，分別建立了不同張拉順序下的蓋梁有限元模型，對成橋后的蓋梁受力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：蓋梁混凝土主壓應(yīng)力最大值位于懸臂根部，滿足規(guī)范要求，說明鋼束總體布置較為合理；蓋梁澆筑完成后，按照先張拉N2鋼束后張拉N3鋼束的張拉順序，蓋梁受力較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：高速公路；大懸臂蓋梁；張拉順序；實(shí)體有限元；施工階段應(yīng)力

中文分類號：U448.21+4A441453

0引言

目前高速公路建設(shè)主線橋主要采用預(yù)制裝配式T梁和箱梁形式，互通多采用現(xiàn)澆箱梁形式，而決定一條高速公路橋梁規(guī)模大小的主要是主線橋。對于預(yù)制裝配式橋梁而言，上部結(jié)構(gòu)大多在梁場預(yù)制，然后通過運(yùn)梁車運(yùn)送至工點(diǎn)后，采用吊裝或架橋機(jī)將單梁安裝就位。單梁橫向采用濕接縫相連接，形成多車道梁格體系。高速公路橋梁上部結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，施工速度快，而下部結(jié)構(gòu)目前以現(xiàn)澆施工為主，下部結(jié)構(gòu)的選型和施工是影響橋梁建設(shè)工期的重要因素。

近幾十年來，柱式墩是高速公路橋梁下部結(jié)構(gòu)最常用的結(jié)構(gòu)形式，柱式墩受力明確，采用常規(guī)桿系有限元軟件可以準(zhǔn)確地對柱式墩蓋梁進(jìn)行分析計(jì)算。隨著城市面積的不斷擴(kuò)大，新建高速公路與繞城高速公路相接或連接城市快速路時(shí)，受城市景觀要求以及橋下空間限制等多重因素的影響，橋墩大多采用獨(dú)柱墩、小間距花瓶墩形式，此時(shí)蓋梁通常為大懸臂形式，蓋梁剪跨比小，梁單元效應(yīng)不明顯，通常結(jié)合實(shí)體有限元軟件對大懸臂蓋梁進(jìn)行計(jì)算分析。龔雄峰［1］基于橋梁博士和FEA分析軟件，分別采用梁單元和實(shí)體單元對超大懸臂蓋梁進(jìn)行了受力分析，表明梁單元結(jié)果存在較大偏差；倪政斌［2］從優(yōu)化設(shè)計(jì)角度闡述了大懸臂倒T型蓋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)并對施工技術(shù)進(jìn)行了探討；展丙來等［3］通過模型設(shè)計(jì)和加載設(shè)計(jì)，分析了大懸臂蓋梁破壞形式和彎剪性能；趙海清等［4］從設(shè)計(jì)和施工方面分析了大懸臂蓋梁開裂病害所產(chǎn)生的原因；楊烈軍［5］分析了張拉順序?qū)ΤＲ?guī)柱式墩蓋梁施工階段受力的影響。以上研究文獻(xiàn)雖然對大懸臂蓋梁設(shè)計(jì)和施工方面進(jìn)行了一些研究，但缺少對此類蓋梁鋼束張拉順序的相關(guān)研究。對于大懸臂蓋梁而言，鋼束的設(shè)置情況對結(jié)構(gòu)安全和懸臂長度緊密相關(guān)?；诖耍疚臄M采用ABAQUS軟件，利用生死單元法模擬鋼束張拉順序，以此研究蓋梁施工階段受力性能，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1工程背景

某高速公路設(shè)計(jì)速度為120 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級，地震加速度為0.1 g，地震烈度為Ⅶ度，整幅采用雙向八車道設(shè)計(jì)。入城段受橋下空間利用的影響，蓋梁設(shè)計(jì)為雙柱式花瓶墩形式，懸臂長度達(dá)到6.18 m。下部構(gòu)造如圖1所示。

上部結(jié)構(gòu)采用7片35 m跨徑的簡支預(yù)制小箱梁，梁高為1.9 m，鋪裝層采用0.1 m厚瀝青混凝土+0.1 m厚C40鋼筋混凝土，半幅橋?qū)挒?0.75 m，車道寬度為3.75 m。蓋梁和墩柱采用C40鋼筋混凝土，承臺和樁基采用C30鋼筋混凝土。蓋梁懸臂端部高度為1.7 m，蓋梁中部高度為2.5 m，蓋梁與墩身過渡圓曲線半徑為3 m。

根據(jù)成橋后蓋梁所受荷載情況，首先確定蓋梁預(yù)應(yīng)力的總體布置，如圖2所示。橫向共布置3層5根N1、5根N2和5根N3鋼束，鋼束端部錨固位置豎向間距為0.45 m，均采用15-15.2鋼絞線形式。N1和N2鋼束倒角半徑均為20 m，N3鋼束倒角半徑為12 m。

2成橋后蓋梁受力分析

蓋梁鋼束張拉順序?qū)κ┕るA段蓋梁受力狀態(tài)有直接影響。根據(jù)成橋后蓋梁的受力情況，可以先進(jìn)行鋼束的總體布置，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合施工過程再確定鋼束張拉順序，以確保蓋梁全過程中滿足規(guī)范要求。該橋蓋梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1有限元模型的建立

考慮到桿系梁單元對于不規(guī)則蓋梁進(jìn)行分析時(shí)存在較大誤差，此處采用ABAQUS軟件，對蓋梁實(shí)際形狀進(jìn)行建模。由于橋位地質(zhì)良好，建模時(shí)不考慮承臺和樁基礎(chǔ)，將墩底進(jìn)行固結(jié)處理。蓋梁和橋墩混凝土容重取26 kN/m3，彈性模量為32.5 GPa，泊松比為0.2；鋼束抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力取1 395 MPa，容重取78.5 kN/m3，彈性模量為195 GPa，泊松比為0.31。全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算時(shí)偏不利不考慮普通鋼筋的作用。

進(jìn)行有限元分析時(shí)，用桁架單元T3D2來模擬鋼束，用實(shí)體單元C3D10模擬混凝土。采用降溫法模擬鋼束的預(yù)應(yīng)力，永存預(yù)應(yīng)力取0.75倍的張拉控制應(yīng)力。鋼束線膨脹系數(shù)取1.2×10-5（1/℃），可計(jì)算得到N1、N2和N3每根鋼束需降溫：ΔT=0.75×1 395/（1.2×10-5×195×103）=-447.1 ℃。鋼束和混凝土單元采用節(jié)點(diǎn)耦合連接，所建立的有限元模型如圖3所示。

2.2成橋后蓋梁受力分析

對于單個(gè)支座而言，上部結(jié)構(gòu)自重下邊梁反力為1 064.6 kN，中梁反力為1 035.0 kN；二期恒載下邊梁反力為885.0 kN，中梁反力為938.2 kN。按照懸臂根部最不利，對活載位置進(jìn)行試算，確定活載最不利加載位置。計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)組合下，蓋梁混凝土主壓應(yīng)力分布如圖4所示，鋼束橫橋向應(yīng)力分布如圖5所示。

成橋后，鋼束應(yīng)力為1 037～1 078 MPa，與假定的永存預(yù)應(yīng)力1 046 MPa的偏差為0.8%～3.1%，考慮到蓋梁變形的影響，表明本次所采用的鋼束與混凝土節(jié)點(diǎn)耦合約束精度滿足要求，模型分析結(jié)果可靠。蓋梁混凝土主壓應(yīng)力最大值位于懸臂根部，其數(shù)值為10.1 MPa，C40混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8 MPa。因此，蓋梁主壓應(yīng)力滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362-2018）［6］中0.6fck=16.1 MPa的限值要求。計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明鋼束總體布置較為合理。

3鋼束張拉順序分析

在成橋后蓋梁受力分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對鋼束張拉順序進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)時(shí)，往往忽視鋼束的張拉順序，而合適的張拉順序可以使蓋梁在施工階段始終處于良好的受力狀態(tài)，避免開裂等病害的發(fā)生。分別選取三種典型工況進(jìn)行分析：（1）張拉順序1：N1→N2→N3→架梁→二期；（2）張拉順序2：N2→N3→架梁→N1→二期；（3）張拉順序3：N1→N3→架梁→N2→二期。以上每種工況下均包含5個(gè)施工步驟。

采用生死單元法模擬施工過程，分別提取三種張拉順序每個(gè)施工步驟下的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力最大值，對應(yīng)的變化曲線如圖6和圖7所示。

計(jì)算結(jié)果表明：

（1）施工階段蓋梁應(yīng)力與鋼束的張拉順序密切相關(guān)，先依次張拉鋼束后架梁（張拉順序1）的最大壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力均較大，蓋梁處于不利受力狀態(tài)。

（2）蓋梁澆筑完成后，先張拉N2鋼束，然后張拉N3鋼束，此時(shí)蓋梁頂面壓應(yīng)力較大，相比于張拉順序3而言，較大的壓應(yīng)力儲備在下一步架梁完成后可得到一定的卸載作用，架梁后蓋梁頂?shù)拙幱诘退降膲簯?yīng)力狀態(tài)。隨后再張拉N1鋼束，該鋼束增加了蓋梁頂面壓應(yīng)力儲備，使蓋梁混凝土更好地承受后續(xù)二期恒載及活載作用。

（3）比較三種典型張拉順序，施工過程中，張拉順序2的蓋梁主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力均較小，在此張拉順序下，二期恒載施工完成后，蓋梁主壓應(yīng)力分布如圖8所示，滿足規(guī)范要求，此張拉順序下蓋梁受力較優(yōu)。

4結(jié)語

本文以某入城段高速公路大懸臂蓋梁為研究對象，對蓋梁設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了介紹，借助ABAQUS軟件分析了成橋狀態(tài)下蓋梁受力性能。在此基礎(chǔ)上，探討了鋼束張拉順序?qū)ιw梁施工階段受力的影響。對于此類蓋梁而言，宜在蓋梁截面頂緣附近布設(shè)一排鋼束，在底緣鋼束張拉完成及架梁后，再進(jìn)行頂緣鋼束張拉，可改善蓋梁整體應(yīng)力分布，同時(shí)能夠有效緩解后續(xù)二期鋪裝及活載對蓋梁懸臂部分的負(fù)彎矩作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］龔雄峰.超大懸臂雙柱預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁力學(xué)分析［J］.城市道橋與防洪，2022（12）：93-96，17.

［2］倪政斌.大懸臂倒T型預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)探討［J］.福建交通科技，2022（6）：50-55，65.

［3］展丙來，郗磊，姚曉飛，等.節(jié)段拼裝大懸臂PC蓋梁彎剪性能試驗(yàn)研究［J］.公路，2021，66（12）：207-211.

［4］趙海清，譚桂華，王偉卿，等.高墩大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁開裂原因分析［J］.上海公路，2021（2）：57-59，88，167.

［5］楊烈軍.鋼束張拉順序?qū)Υ蠼孛娴筎形蓋梁施工的影響［J］.四川建筑，2015，35（3）：202-204.

［6］JTG3362-2018，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

作者簡介：黃雯（1988—），碩士，工程師，主要從事路橋工程設(shè)計(jì)工作。