渡槽橋薄壁墩預(yù)應(yīng)力筋偏位細(xì)部分析

黃凱楠

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中,通常先澆筑混凝土,后通過預(yù)留預(yù)應(yīng)力孔道的方法對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉。部分大體積結(jié)構(gòu)如橋梁的薄壁高墩、曲線梁等[1],空間受力較復(fù)雜,預(yù)應(yīng)力筋通常會出現(xiàn)定位偏差的不良工程現(xiàn)象[2]。此外,預(yù)應(yīng)力的偏位還將導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不足、結(jié)構(gòu)開裂等病害[3],并在使用過程中進(jìn)一步加劇其不利影響。

本文以某渡槽為例,利用三維有限元計算軟件分析預(yù)應(yīng)力偏位導(dǎo)致的整個施工階段及運(yùn)營階段的最不利影響[4],并探討此類結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)化設(shè)計處理方法[5],為以后同類型施工現(xiàn)象提供有益參考。

1 工程概況

某渡槽位于廣西境內(nèi),跨越紅水河。主槽上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁,槽墩及基礎(chǔ)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其中2#墩為雙肢實(shí)心墩,樁基采用4根φ2 m圓形孔樁,承臺為矩形鋼筋混凝土;1#、4#墩為薄壁空心墩,樁基采用4根φ2 m圓形孔樁,承臺為矩形鋼筋混凝土;5#槽墩樁基采用2根φ1.5 m圓形孔樁;6#槽墩為重力墩,樁基采用2根φ1.5 m圓形孔樁,承臺為矩形鋼筋混凝土;7#槽臺為重力式槽臺,采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。渡槽主槽上部箱梁采用掛籃分段澆筑,懸臂對稱施工;渡槽兩端引槽段的簡支式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁渡槽采用現(xiàn)澆施工方法。1#～4#槽墩均采用翻模法施工,其他槽墩采用支架法施工。

2 槽墩預(yù)應(yīng)力筋偏位檢測情況

渡槽2#槽墩設(shè)計為雙肢實(shí)心薄壁槽墩,墩高16.5 m,單肢槽墩內(nèi)設(shè)計有雙排預(yù)應(yīng)力鋼束(每排8束共16束),鋼束單根長26.26 m,承臺內(nèi)預(yù)埋2.5 m,墩身內(nèi)預(yù)埋16.5 m,0#塊內(nèi)預(yù)埋6.66 m,布置圖見圖1。

圖1 2#槽墩順、橫槽向預(yù)應(yīng)力鋼束立面布置圖(mm)

在槽墩及0#塊施工完成后的現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),2#槽墩豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的空間布置與設(shè)計圖紙存在偏差,經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)豎向預(yù)應(yīng)力筋在橫橋向方向上偏位,偏位導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋張拉后的施工與運(yùn)營期間,在槽墩鋼束偏位及荷載作用下可能出現(xiàn)橋墩混凝土局部崩壞或開裂。

檢測報告的結(jié)果顯示,2#槽墩4個立面(4組預(yù)應(yīng)力筋所處平面,以小樁號→大樁號編號分別為①～④)上的預(yù)應(yīng)力筋均存在不同程度的偏位情況,橫橋向偏位達(dá)-190～270 mm。現(xiàn)場檢測中隔板截面位置偏位及立面橫、縱向偏位檢測結(jié)果示意如下頁表1所示。

表1 隔板截面位置偏位及立面橫、縱向偏位檢測結(jié)果表

3 模型的建立

3.1 計算思路

根據(jù)工程實(shí)際的施工方案及規(guī)范的要求,本次計算分為64個施工階段和73個運(yùn)營期荷載組合,若全部采用實(shí)體模型工作量十分巨大。為分析施工過程和運(yùn)營期間槽墩混凝土局部受力情況,本文提出利用梁單元計算施工及運(yùn)營期對槽墩產(chǎn)生最不利影響的四組最大內(nèi)力工況,分別為最大彎矩、最大主梁軸力、最大主梁不對稱軸力、最大主梁不對稱彎矩工況,通過建立槽墩的整體及局部受力計算模型,對比預(yù)應(yīng)力鋼束偏位與設(shè)計狀態(tài)兩種結(jié)構(gòu)槽墩豎向預(yù)應(yīng)力筋所在截面混凝土的受力狀態(tài),進(jìn)行槽墩的整體模型與實(shí)體局部模型兩方面的驗(yàn)算,分析施工期和運(yùn)行期的槽墩受力狀況,從而將局部模型簡化為9種模型(含張拉工況),以此來分析整個生命周期槽墩的最不利工況影響。

3.2 桿系模型

本次采用大型計算軟件Midas Civil對渡槽建立有限元計算模型,并按“單梁模型”進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析。有限元模型如圖2所示。

圖2 渡槽梁單元模型圖

本次計算共劃分為64個施工階段,73個運(yùn)營階段的荷載組合根據(jù)規(guī)范進(jìn)行取值,梁單元共計劃分為394個單元,考慮以下因素的影響:

(1)混凝土、鋼筋為理想彈性材料,混凝土、鋼筋的彈性模量為常數(shù)。

(2)截面變形符合平截面假設(shè)。

3.3 局部模型

為了分析現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)下預(yù)應(yīng)力偏位對槽墩的局部受力影響,本文采用三維實(shí)體有限元軟件建立有限元模型,建立包含0#～2#節(jié)段、2#槽墩、承臺的局部有限模型(見圖3～4),模型中混凝土使用C3D8R六面體單元進(jìn)行模擬,總劃分單元為14 937個。為計算0#～2#節(jié)段、2#槽墩、承臺在整個施工周期及成橋狀態(tài)下的局部空間受力,本節(jié)采用梁單元整體模型與局部模型結(jié)合的方式,將整個施工階段及成橋狀態(tài)整體梁單元模型中2#節(jié)段與3#節(jié)段相鄰截面的內(nèi)力值提取,以點(diǎn)-面耦合的方式施加到截面上,分析施工期和運(yùn)行期的局部受力狀況,模型外力荷載為重力和2#截面內(nèi)力的和。

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分圖

圖4 偏位預(yù)應(yīng)力鋼筋布置圖

4 計算結(jié)果分析

4.1 梁單元計算最不利工況結(jié)果分析

分析渡槽的結(jié)構(gòu)形式可知,影響槽墩最大主拉應(yīng)力的結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要為主梁軸力、彎矩以及主梁軸力、彎矩的不對稱性四種因素。故局部模型選取的截面計算最大內(nèi)力工況及兩側(cè)最大內(nèi)力差值工況如表2及表3所示。

表2 局部模型選取的計算最大內(nèi)力工況表

表3 局部模型選取的計算最大不對稱內(nèi)力工況表

將表2和表3中的內(nèi)力值輸入到局部實(shí)體模型當(dāng)中,用于渡槽施工過程及運(yùn)營期對偏位薄壁墩的影響,將上述內(nèi)力施加于相應(yīng)的控制點(diǎn)上,并將控制點(diǎn)通過點(diǎn)-面耦合的方式約束到主梁截面上,得到張拉工況、施工運(yùn)營期薄壁墩局部的最大拉應(yīng)力工況分別為工況1、工況6。

4.2 張拉工況薄壁墩應(yīng)力計算

在工況1的作用下,2#槽墩偏位處的局部最大主拉應(yīng)力為0.90 MPa,出現(xiàn)在②截面,計算結(jié)果見表4和下頁圖5,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBS0010-2010)(以下簡稱《規(guī)范》)[6],頂板最大主拉應(yīng)力小于規(guī)范允許值1.96 MPa的要求。

表4 工況1作用下2#槽墩②立面鋼束折彎點(diǎn)混凝土拉應(yīng)力值表(MPa)

圖5 工況1作用下②立面混凝土主拉應(yīng)力云圖

4.3 施工和運(yùn)營工況薄壁墩應(yīng)力計算

在工況6的作用下,2#槽墩的偏位處局部最大主拉應(yīng)力為0.91 MPa,出現(xiàn)在②截面,計算結(jié)果見下頁表5和圖6,根據(jù)《規(guī)范》,頂板最大主拉應(yīng)力小于規(guī)范允許值1.96 MPa的要求。

表5 工況6作用下2#槽墩②立面鋼束折彎點(diǎn)混凝土拉應(yīng)力值表(MPa)

圖6 工況6作用下②立面混凝土主拉應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

本文依據(jù)雷達(dá)探測報告及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,建立豎向預(yù)應(yīng)力筋的橫向、縱向偏位實(shí)體模型對左幅2#槽墩局部進(jìn)行對比計算,提出桿系模型施工階段分析與三維實(shí)體有限元靜力分析相結(jié)合的模擬方法,建立從橋梁施工到運(yùn)營全壽命周期的計算模型,分析預(yù)應(yīng)力筋偏位對橋墩結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)論及建議如下:

(1)預(yù)應(yīng)力筋的偏位對薄壁混凝土墩的局部產(chǎn)生較大的不利影響,在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制偏位;

(2)施工及運(yùn)營過程中的荷載影響對預(yù)應(yīng)力偏位導(dǎo)致的薄壁墩最大主拉應(yīng)力的影響結(jié)果較小;

(3)因現(xiàn)場條件制約,豎向預(yù)應(yīng)力筋在典型斷面的縱向安裝偏位難以測出,縱向預(yù)應(yīng)力可能存在保護(hù)層厚度較小的情況,在張拉預(yù)應(yīng)力時存在局部開裂的風(fēng)險。因此,建議在設(shè)計允許且槽墩滿足受壓安全儲備的前提下可適當(dāng)?shù)販p小預(yù)應(yīng)力張拉值,減小局部開裂的風(fēng)險。