現(xiàn)澆箱梁張拉方式影響預(yù)應(yīng)力損失分析

萬(wàn)陽(yáng)

摘要 為研究現(xiàn)澆箱梁張拉方式對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響，文章采用橋梁博士分別建立4×30 m現(xiàn)澆箱梁直線及曲線有限元模型，從主梁變形、截面應(yīng)力及有效預(yù)應(yīng)力值三個(gè)方面，反映單端張拉與兩端張拉施工方式對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。結(jié)果表明：采用兩端張拉方式，中跨變形值較邊跨低，約為邊跨變形的30%；采用單端張拉方式，主梁變形最大值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離張拉端的邊跨跨中，直線段及曲線段變形量分別是采用兩端張拉方式時(shí)的3.7倍和3.6倍。采用兩端張拉方式，預(yù)應(yīng)力損失最大值出現(xiàn)在中跨跨中位置，對(duì)于聯(lián)長(zhǎng)120 m的直線箱梁，損失約為20%，對(duì)于聯(lián)長(zhǎng)120 m、半徑為120 m的曲線箱梁，損失量約為25%；采用單端張拉方式，預(yù)應(yīng)力損失最大值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離張拉端的梁端，損失量約為50%，有效預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備不足，4#墩墩頂及第4跨跨中底緣容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)給予重視。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)澆箱梁；兩端張拉；單端張拉；預(yù)應(yīng)力損失

中圖分類號(hào) U442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0102-03

0 引言

現(xiàn)澆箱梁因采用整體現(xiàn)澆施工方式，其整體性、抗彎、抗剪、抗扭性能較強(qiáng)[1]，且異形適應(yīng)能力較為突出，外觀及主梁較T梁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，被廣泛應(yīng)用于對(duì)凈空及外觀要求較高的市政橋梁及小半徑匝道上。但其預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間的摩擦、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮、預(yù)應(yīng)力鋼筋與臺(tái)座之間的溫差、混凝土彈性壓縮以及預(yù)應(yīng)力混凝土的收縮和徐變等因素會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失[2-4]，且由于施工組織及操作空間限制，導(dǎo)致一端受阻，只能采用單端張拉的情況。該文研究在直線及小半徑曲線上，不同張拉方式對(duì)現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力損失影響具有一定的理論意義及現(xiàn)實(shí)需求。

1 橋梁方案概況及分析計(jì)算模型

1.1 橋梁方案概況

該文采用常見(jiàn)的一聯(lián)4×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁作為研究對(duì)象，并分為橋梁平面在直線及半徑為120 m曲線上兩類，在其他條件一致的情況下，分別采用單端張拉及兩端張拉的施工方式進(jìn)行模擬，對(duì)變形、應(yīng)力及有效預(yù)應(yīng)力驗(yàn)算。通過(guò)4個(gè)模型結(jié)果，對(duì)比分析橋梁在直線及小半徑曲線上，上述兩種張拉方式對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為整體現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面寬度10.5 m，單箱雙室結(jié)構(gòu)，梁高1.8 m，材料為C50混凝土；下部結(jié)構(gòu)為常規(guī)柱式墩，樁基礎(chǔ)，采用滿堂支架現(xiàn)場(chǎng)整體澆筑施工。預(yù)應(yīng)力采用13束φ15.20的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1 395 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼筋通長(zhǎng)布置，編號(hào)為F1-1～6、F2-1～6、F3-1～6、F4-1～6，鋼筋張拉順序?yàn)镕2→F3→F1→F4，上部結(jié)構(gòu)斷面及預(yù)應(yīng)力鋼筋跨中橫向布置見(jiàn)圖1。

1.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算模型模擬及參數(shù)選取

該文采用橋梁博士V4.4對(duì)上述4種工況采用兩單元模型進(jìn)行模擬，力求結(jié)果趨近于實(shí)際，驗(yàn)算不考慮下部結(jié)構(gòu)影響，采用梁?jiǎn)卧Ｐ?，共?jì)88個(gè)節(jié)點(diǎn)、82個(gè)單元，橋梁有限元模型見(jiàn)圖2～3。

預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參數(shù)如下：①設(shè)計(jì)采用預(yù)埋塑料波紋管，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道的摩擦系數(shù)μ取0.2，管道每1 m局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)為κ=0.001 5；②張拉端錨具變形值取6 mm；③預(yù)應(yīng)力鋼筋采用低松弛鋼筋，松弛系數(shù)ξ取0.3；其余均按照規(guī)范計(jì)算。4種情況下施工階段模擬如表1。

2 張拉方式對(duì)預(yù)應(yīng)力損失影響分析

該文從成橋階段主梁變形、應(yīng)力以及有效預(yù)應(yīng)力值變化情況，分析兩種張拉方式對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。

2.1 成橋階段主梁變形分析

在兩種張拉方式下，由于預(yù)應(yīng)力損失存在差異，對(duì)成橋階段主梁變形產(chǎn)生一定的影響，變形最值及對(duì)應(yīng)的位置見(jiàn)圖4。

由圖4可知，由于連續(xù)墩墩頂處負(fù)彎矩影響，中跨變形值小于邊跨。半徑=120 m曲線橋梁及直線橋梁，在兩端張拉的施工方式工況下，其主梁變形趨勢(shì)基本一致，變形量差異最大出現(xiàn)在中跨跨中位置，直線段變形為?2.9 mm，曲線段變形為?3.2 mm，最大增加百分比為10%；在單端張拉的施工方式工況下，變形量差值與距張拉端距離成正相關(guān)趨勢(shì)，變形量差異最大出現(xiàn)在距張拉端較遠(yuǎn)的邊跨跨中位置，直線段變形為?10.8 mm，曲線段變形為?11.6 mm，最大增加百分比為7%。橋梁平面線形一致的情況下，單端張拉與兩端張拉相比，變形量差值與左梁端距離呈正相關(guān)趨勢(shì)，變形量差異最大出現(xiàn)在距張拉端較遠(yuǎn)的邊跨跨中位置，直線段變形分別為?10.8 mm和?2.9 mm，最大增加百分比為272%；曲線段變形為?11.6 mm和?3.2 mm，最大增加百分比為263%。

2.2 成橋階段主梁應(yīng)力分析

兩種張拉施工方式下，成橋階段主梁頂、底面應(yīng)力見(jiàn)圖5～6。

由圖5可知，在成橋之后，采用相同的張拉方式，直線段與曲線段橋梁頂板頂緣的應(yīng)力曲線基本一致。由于負(fù)彎矩的影響，頂緣應(yīng)力最值均出現(xiàn)在墩頂處，且由于有效預(yù)應(yīng)力的損失，不同張拉方式頂緣應(yīng)力值差異量最大出現(xiàn)在距張拉端較遠(yuǎn)的4#墩墩頂處，直線段兩端張拉的情況下應(yīng)力為2.43 MPa，單端張拉應(yīng)力值為?1.62 MPa；半徑=120 m曲線段兩端張拉的情況下應(yīng)力為2.04 MPa，單端張拉應(yīng)力值為?1.87 MPa。在單端張拉的情況下，由于預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，有效預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備不足，4#墩墩頂處出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

由圖6可知，在成橋之后，采用相同的張拉方式，直線段與半徑=120 m曲線段橋梁底板底緣的應(yīng)力曲線基本一致。由于有效預(yù)應(yīng)力的損失，兩種張拉方式底緣應(yīng)力值差異量最大出現(xiàn)在遠(yuǎn)離張拉端的邊跨跨中墩處，直線橋梁兩端張拉的情況下應(yīng)力為3.62 MPa，單端張拉應(yīng)力值為?0.39 MPa；曲線段兩端張拉的情況下應(yīng)力為3.6 MPa，單端張拉應(yīng)力值為?0.63 MPa。

底緣應(yīng)力曲線與頂緣應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，在單端張拉的情況下，遠(yuǎn)離張拉端的第5跨跨中底緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)給予重視。

2.3 主梁有效預(yù)應(yīng)力分析

在兩種預(yù)應(yīng)力張拉方式下，主梁各預(yù)應(yīng)力鋼筋在成橋階段的有效預(yù)應(yīng)力值將發(fā)生變化，同編號(hào)的

預(yù)應(yīng)力鋼筋有效預(yù)應(yīng)力圖形相近，以中腹板位置F1～F4預(yù)應(yīng)力鋼筋為例，分析預(yù)應(yīng)力損失情況，見(jiàn)圖7～10。

由圖7～10可知，模型提取的有效預(yù)應(yīng)力值與變形及主梁應(yīng)力相印證，符合變形及應(yīng)力的曲線走勢(shì)。采用兩端張拉的施工方式，鋼筋有效預(yù)應(yīng)力最大值在距梁端18 m位置處，最小值在一聯(lián)的中間位置，損失約為20%。其有效預(yù)應(yīng)力值沿中間位置對(duì)稱分布，因張拉端存在錨具回縮變形等瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失，在張拉端附近的有效預(yù)應(yīng)力值均有所降低。采用單端張拉的施工方式在聯(lián)長(zhǎng)中間位置以左與兩端張拉方式的有效預(yù)應(yīng)力值一致，過(guò)了聯(lián)長(zhǎng)中間位置后，有效預(yù)應(yīng)力值快速降低，且在墩頂處由于預(yù)應(yīng)力鋼筋豎向曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，有效預(yù)應(yīng)力下降速度較其他段快。單端張拉最遠(yuǎn)端有效預(yù)應(yīng)力不到50%，預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)給予重視。圖7～9與圖10比較可知，預(yù)應(yīng)力鋼筋F4的有效預(yù)應(yīng)力損失量均小于F1～F3，僅為F1～F3損失量的57%，分析原因主要因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼筋F4豎向彎起角度較小，且曲線半徑較大，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力鋼筋豎向曲線彎折對(duì)預(yù)應(yīng)力損失有一定的影響。

3 結(jié)論

針對(duì)常用的直線段及半徑=120 m曲線段橋梁，建立空間有限元模型，提取不同張拉方式下主梁的變形、應(yīng)力及有效預(yù)應(yīng)力值，進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證分析，結(jié)果表明：

（1）中跨有效預(yù)應(yīng)力較邊跨低，但由于結(jié)構(gòu)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，負(fù)彎矩的影響，導(dǎo)致兩端張拉方式下中跨變形值較邊跨低，約為邊跨的30%；采用單端張拉方式下，第5跨距張拉端較遠(yuǎn)，預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，直線段及曲線段跨中變形量較采用兩端張拉方式增加百分比分別為272%和263%。

（2）單端張拉方式預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，有效預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備不足，4#墩墩頂處及第5跨跨中底緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)給予重視，選擇合理的施工方式，確保結(jié)構(gòu)安全。

（3）有效預(yù)應(yīng)力曲線與變形及應(yīng)力相互印證，采用兩端張拉方式預(yù)應(yīng)力損失最大出現(xiàn)在一聯(lián)的中間位置，直線段損失約為20%，半徑為120 m的曲線箱梁損失量約為25%。采用單端張拉方式預(yù)應(yīng)力損失最大出現(xiàn)在遠(yuǎn)離張拉端的梁端，損失量約為50%。

（4）綜合以上，半徑=120 m曲線橋梁對(duì)預(yù)應(yīng)力損失影響較?。煌扑]采用兩端張拉的施工方式，若條件限制，只能采用單端張拉時(shí)，應(yīng)盡量減少聯(lián)長(zhǎng)，控制在100 m以內(nèi)，并重點(diǎn)注意主梁頂?shù)拙墤?yīng)力是否滿足要求。

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