預應力鋼筋張拉方式對剛構(gòu)橋主梁變形的影響分析

預應力鋼筋張拉方式對剛構(gòu)橋主梁變形的影響分析

0預應力損失研究由于抗彎、剪切、扭轉(zhuǎn)性能的增強，現(xiàn)柱箱梁被廣泛應用于對結(jié)構(gòu)抗彎性能要求較高的小半徑曲線橋上。為了減少預測損失，提高有效預測量，通常設(shè)置多個孔和軌道，以區(qū)分預測員的工作量。然而,隨著施工縫的增多,除增設(shè)連接器需增加工程成本外,因需增加工序,施工工期會延長。為在保證結(jié)構(gòu)受力合理前提下,同時節(jié)約工程成本、縮短工期,研究不同張拉方式下主梁受力狀況具有一定的理論意義和現(xiàn)實需求。對于后張法預應力混凝土構(gòu)件來說,預應力損失包括5項損失。國內(nèi)眾多學者對比開展了相關(guān)研究工作。程壽山等以連續(xù)梁為研究對象,對預應力損失影響因素和預應力損失評估方法進行了分析,提出以變形為主要指標計算預應力損失,并結(jié)合實橋測試加以驗證,指出底板預應力有20%～30%的損失,頂板預應力有40%～50%的損失,但未與規(guī)范方法進行比較分析;Barr、朱琛、王存江指出預應力鋼筋的損失與混凝土的強度有關(guān),強度越大損失越大;李準華等通過對中美幾種規(guī)范計算預應力損失值分析,指出預應力鋼筋的損失估計偏小將會導致橋梁內(nèi)力和撓度計算的較大失真;沈成武等通過工程實例,采用遺傳算法,研究了設(shè)計規(guī)范的預應力損失以外的附加損失;胡狄、袁倫一、邵旭東等分析了預應力鋼筋錨固損失的算法,并與規(guī)范算法進行了比較;丁南宏等結(jié)合荷載橫向分布系數(shù)概念,得到豎平面內(nèi)分批張拉損失空間簡化計算公式。相關(guān)文獻中,關(guān)于順橋向分段張拉對損失的影響尚未見研究,鑒于預應力鋼筋損失的影響因素比較多,本文根據(jù)現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計規(guī)范,結(jié)合從莞高速東莞段某匝道橋第1聯(lián)3×20m的具體施工情況,保持預應力線形和張拉控制應力不變,僅改變預應力張拉方式,分析其對施工階段主梁應力、成橋狀態(tài)位移、應力、預應力損失的影響,指出縮小與原設(shè)計的有效預應力差值的方法,為同類橋梁的設(shè)計、施工制訂科學合理張拉方式提供借鑒和參考。1橋梁結(jié)構(gòu)分析與建模1.1下部結(jié)構(gòu)橋臺匝道橋全長490m,共分為5聯(lián):3×20+4×20+(25+2×40+25)+5×20+6×20m,橋?qū)挾?0.5m。上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室現(xiàn)澆預應力混凝土連續(xù)梁,梁高1.4m,采用C50混凝土,7束?15.20的預應力鋼筋,抗拉強度標準值fpk=1860MPa,張拉控制應力為0.72fpk=1339.2MPa;下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺身,橋墩為柱式墩,基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)。第1聯(lián)平面位于緩和段為110m的左偏緩和曲線段上,縱面為3.594%,橋面橫坡通過支座不同標高來實現(xiàn),第1聯(lián)縱、橫立面見圖1。第1聯(lián)預應力鋼束布置采用通長布置,編號為N1-1～3、N2-1～3、N3-1～3,同截面預應力鋼筋張拉順序為N2→N1→N3,鋼束截面布置見圖2。1.2施工縫處設(shè)備布置本橋采用滿堂支架現(xiàn)場澆注施工。原設(shè)計圖紙采用沿3#墩→0#臺逐跨單端張拉預應力鋼筋方案(以下稱“方案1”),共布置了2道施工縫,施工縫1位于中跨距2#墩5m處,施工縫2位于左邊跨距1號墩5m處,通過連接器使預應力鋼筋整體受力,每道施工縫處布置了9個連接器。因本橋跨徑不大,施工難度小,施工工期要求緊迫,因單聯(lián)總長度超過50m,3跨整體單端張拉過長,結(jié)合結(jié)構(gòu)自身特點和施工實際情況,將所有可行的方案,即先單跨后兩跨單端張拉方案(以下稱“方案2”)和3跨兩端張拉(以下稱“方案3”)作為比選方案,通過對主梁變形、應力和預應力鋼筋有效應力分析,確定科學合理的施工張拉方案。1.3預應力損失的計算根據(jù)橋梁平彎、縱坡、材料、施工方案及結(jié)構(gòu)實際受力,采用MidasCivil分別建立了3種方案空間有限元分析模型。為突出主要矛盾,未考慮下部結(jié)構(gòu)的影響,采用相同的預應力鋼筋線形,施工縫斷面預應力鋼筋的張拉順序保持一致,主梁采用梁單元來模擬,滿堂支架采用只受壓彈簧模擬。模型共計268個節(jié)點,125個單元,2種材料屬性,混凝土的強度發(fā)展按1990年歐洲混凝土規(guī)范(CEB-FIP)計算。邊界條件為主梁與支座上節(jié)點為主從約束,橋梁支座用等代彈簧模擬,支座下節(jié)點采用一般剛性約束。成橋的三維有限元模型見圖3。預應力損失計算參數(shù)如下:(1)因設(shè)計圖紙采用塑料波紋管,管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)取0.0015,預應力鋼筋與管道的摩擦系數(shù)取0.15;(2)張拉端的錨固變形按6mm計算;(3)混凝土的彈性壓縮損失指由后批張拉預應力鋼筋或其他作用導致混凝土彈性變形所引起的預應力損失;(4)預應力鋼筋采用低松弛鋼筋,松弛系數(shù)取0.3;(5)混凝土收縮和徐變按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范計算。施工過程對預應力損失的影響也非常大,根據(jù)各方案的特點,施工階段模擬見表1～表3。2橋梁預測拉張法的影響分析2.1主梁變形最值的位置在不同預應力張拉方式下,主梁成橋階段變形會產(chǎn)生一定的影響,各方案主梁成橋階段變形最值及對應的位置見表4。由表4可知,與方案1相比,方案2主梁變形最值的位置相同,變形量均有所減少,最大減少百分比為10%,最大減少變形量為0.6mm;方案3變形最值的位置不同,且變形量減少較多,最大減少百分比為76%,最大減少變形量為6.6mm。2.2拉應力的影響不同預應力張拉方式下,主梁施工階段最大拉應力及成橋階段頂、底面應力最值及位置見表5。由表5可知,在各施工階段主梁拉應力最值出現(xiàn)在99節(jié)點處主梁頂面。從方案1到方案3,拉應力逐漸減小,其中方案1、方案2拉應力分別為2.05、1.84MPa,大于C50混凝土拉應力設(shè)計值1.83MPa,在施工過程中應引起注意。在成橋階段,3種施工方案的箱梁頂、底面應力極值發(fā)生位置比較接近,除方案3主梁頂面在67節(jié)點處主梁頂面存在最大拉應力0.17MPa外,方案1、方案2主梁頂、底面均處于受壓狀態(tài),最大壓應力為11.22MPa,遠小于C50混凝土壓應力設(shè)計值22.4MPa。2.3施工縫和鋼束逆差值在不同預應力張拉方式下,主梁各預應力鋼筋在成橋階段的有效預應力值將發(fā)生變化,同編號的預應力鋼筋有效預應力圖形相近,僅以中腹板位置N1-2、N2-2、N3-2為例,各預應力鋼筋有效預應力見圖4。由圖4可知,不同方案下鋼束有效預應力值及分布差異很大。對于方案1,鋼束有效預應力值在距橋臺側(cè)梁端14.96m(施工縫2)位置處和距橋臺側(cè)梁端34.96m(施工縫1)位置處出現(xiàn)突變,有效預應力值極值均發(fā)生在施工縫處。因線形布置的影響,鋼束N1與鋼束N2、N3最小值的位置不同,N1發(fā)生在施工縫2處,而鋼束N2、N3發(fā)生在施工縫1處。對于方案2,鋼束有效預應力最大值在施工縫2處,向兩側(cè)逐漸減小,在施工縫1處達到最小后逐漸增大,并在距橋臺側(cè)梁端48.75m處出現(xiàn)峰值,隨后穩(wěn)步減少至右側(cè)梁端。對于方案3,鋼束有效預應力最大值在距橋臺側(cè)梁端15m位置處,最小值在中跨跨中附近處,其有效預應力值沿中跨跨中截面呈對稱分布,因張拉端存在著錨具回縮變形等瞬時預應力損失,在張拉端附近的有效預應力值均有所降低。方案2、方案3在中跨跨中截面附近處的有效預應力均低于方案1,此處抗彎性能有所降低,在設(shè)計過程中應給予關(guān)注。不同張拉方案同截面處有效預應力有一定影響,與方案1相比,不同施工方案下,各截面的有效預應力變化百分比極值見表6。由表6可知,與方案1相比,有效預應力值有增有減,且同方案下各鋼束發(fā)生增減極值的位置比較接近;方案2時,鋼束N1、N2、N3有效預應力變化百分比范圍分別為:-5.06%～9.26%、-4.75%～9.4%、-8.55%～5.99%;方案3時,鋼束N1、N2、N3有效預應力變化百分比范圍分別為:-4.66%～9.61%、-4.96%～8.56%、-3.5%～7.88%。若要減少與方案1有效預應力的變化幅值,若按方案2施工時,應適當降低鋼束N1、N2張拉控制應力,并適當增大鋼束N3張拉控制應力;若按方案3施工時,應適當減少所有鋼束張拉控制應力。3張拉方式影響預應力值根據(jù)某匝道橋的平彎、縱坡、材料及施工方案情況,建立了空間有限元模型,對不同張拉方式下影響進行了分析,分析表明:(1)在成橋階段,方案1主梁變形值最大,方案3主梁變形值最小,變形量最大減少百分比為76%,最大減少值為6.6mm,但方案3在距橋臺側(cè)梁端31.71m處主梁頂面存在拉應力最大值為0.17MPa;方案2主梁變形最值與方案1位置相同,而變形量均有所減少,最大減少百分比為10%,最大減少值為0.6mm;(2)在施工過程中,在距橋臺側(cè)梁端46.71m處主梁頂面均出現(xiàn)