典型先簡支后連續(xù)分布式箱梁橋施工過程仿真分析

成 崗

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)公司)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支連續(xù)多箱式橋梁兼有先簡支后連續(xù)體系橋梁和箱梁橋受力上的特點(diǎn),且是一多主梁的形式,受力情況比較復(fù)雜。橋梁在不同施工階段的受力特點(diǎn)、各個單體小箱梁內(nèi)部的受力特性、橋梁在體系轉(zhuǎn)換時的受力性能、橋梁完成由個體到整體施工過程后受力性能的改變、車輛荷載在各個不同梁間的分配等都是共同關(guān)心而未得到很好解決的問題,為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì),對這些問題進(jìn)行研究,跟蹤分析橋梁結(jié)構(gòu)的整個施工過程,具有重要的意義。

1 工程概況

某高速公路上一座 5跨 25m先簡支后連續(xù)分布式箱梁橋為分布式小箱梁橋,寬 11.5m,橫向布置為 4片小箱梁, 5跨一聯(lián)。圖 1示出了分布式箱梁橋的整體布置情況。小箱梁梁高 140cm,在跨中處為標(biāo)準(zhǔn)斷面,頂板、底板、腹板厚均為18cm,支點(diǎn)處底板和腹板加厚至25cm。兩者之間有一個 1.5m長的直線漸變段。箱梁材料采用 50號混凝土。

圖1 橋粱總體布置圖

2 先簡支后連續(xù)分布式箱梁橋施工工序

先簡支后連續(xù)分布式箱梁橋施工過程大體來說分為以下 3個階段。

(1)預(yù)制簡支階段:該階段的主要工作是,在施工場地內(nèi)預(yù)制小箱梁,并張拉正彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力索(腹板預(yù)應(yīng)力束),進(jìn)行孔道壓漿,同時在梁端頂板預(yù)留負(fù)彎矩束的孔道,養(yǎng)護(hù)成型后,安放臨時支座,將梁吊裝到臨時簡支狀態(tài)。

(2)體系轉(zhuǎn)換階段:該階段的主要工作是,安放橋梁永久支座,澆濕接頭和部分防水混凝土,張拉負(fù)彎矩區(qū)鋼束(頂板預(yù)應(yīng)力束),并拆除臨時支座。該階段中,濕接頭的澆筑和負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序以及臨時支座的拆除順序?qū)Y(jié)構(gòu)最終的成橋內(nèi)力會產(chǎn)生一定的影響。但一般在施工中都是逐跨進(jìn)行現(xiàn)澆濕接縫,張拉預(yù)應(yīng)力束的,臨時支座的拆除策略也大體相同。

(3)成橋階段:該階段的主要工作是,在各聯(lián)施工結(jié)束后,焊接橫向連接構(gòu)件,現(xiàn)澆各片小箱梁之間的橫向聯(lián)系,現(xiàn)澆橋面鋪裝混凝土、防水層和瀝青橋面以及防撞護(hù)欄等,最終達(dá)到成橋狀態(tài)。

3 后連續(xù)端混凝土澆筑與預(yù)應(yīng)力張拉仿真分析

數(shù)值模擬嚴(yán)格根據(jù)現(xiàn)場的施工工藝順序進(jìn)行。即一個端部澆筑完畢待混凝土強(qiáng)度達(dá)到 100%時,進(jìn)行該端部后連續(xù)頂板預(yù)應(yīng)力束的張拉。逐跨進(jìn)行。分析時,按截面形式不同對邊梁和中梁分別計算。

3.1 結(jié)構(gòu)分析模型

有限元建模時,首先建立 5跨箱梁的整體模型,視施工情況進(jìn)行單元的安裝、預(yù)應(yīng)力束荷載效應(yīng)的施加和約束條件的轉(zhuǎn)換以模擬施工過程。

3.2 計算結(jié)果分析

圖2為 1-2跨后連續(xù)端預(yù)應(yīng)力張拉后相鄰兩跨箱梁底板中點(diǎn)的撓度曲線,可以看出:利用平面桿系程序與虛擬層合單元USAF程序計算得到的撓度值相差在5%左右,USAP的計算值更大一些;在邊梁各跨的跨中,上撓2.5mm左右;而中梁上撓 3.0mm左右,兩者差異的原因在于邊梁的截面較大一些。

圖2 各梁第一個端部(1,2跨連續(xù)端)張拉引起的結(jié)構(gòu)位移

對邊梁和中梁,在相鄰兩跨的跨中,頂板預(yù)應(yīng)力束的張拉會在其上緣產(chǎn)生約1～1.5MPa的拉應(yīng)力(而臨時簡支階段完成時尚有 1～2MPa的壓應(yīng)力儲備,因此,該處不會出現(xiàn)拉應(yīng)力過大的情況)。在后連續(xù)的端部,計算結(jié)果表明,該端部預(yù)應(yīng)力張拉時的儲存了 5～5.5MPa左右的壓應(yīng)力,這也是后連續(xù)的意義所在,它為永久支座處頂面承受二期恒載和成橋后的活載作用提供了一定的彈性壓縮儲備。

同樣,考查截面上、下緣的平均應(yīng)力,可以發(fā)現(xiàn)中梁的應(yīng)力水平要略大于邊梁,這與中梁截面偏小有關(guān)。對于邊梁,由于結(jié)構(gòu)及受力的不對稱,其應(yīng)力沿橫向的分布也不對稱,但在各跨的跨中,基本為一直線,這主要反映了箱梁自由扭轉(zhuǎn)的影響,而在支點(diǎn)處,從邊翼緣到內(nèi)翼緣,應(yīng)力分布成了一條加速增長的曲線,這除了箱梁的自由扭轉(zhuǎn)效應(yīng)外,結(jié)構(gòu)的不對稱和支座的影響也是一個原因。對中梁,由于結(jié)構(gòu)、荷載、約束本身基本上都是對稱的,因此其應(yīng)力分布也是對稱的,且基本上為一均勻的直線,這說明對于該類箱梁,剪力滯等效應(yīng)并不明顯。

4 臨時支座拆除過程結(jié)構(gòu)仿真分析

在所有后連續(xù)端混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉完畢后。由于在連接端頂板預(yù)應(yīng)力束張拉完畢后,結(jié)構(gòu)已經(jīng)由各跨臨時簡支時的靜定結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化為各跨連續(xù)且支承點(diǎn)很多的超靜定結(jié)構(gòu)體系,支座的拆除順序就將對結(jié)構(gòu)最后的應(yīng)力和位移結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。本節(jié)中,按照橋梁的實(shí)際臨時支座拆除次序,即從 1-5跨逐跨拆除臨時支座,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,以得到橋梁實(shí)際的受力狀態(tài)。

如圖 3所示,臨時支座拆除所引起的五跨一聯(lián)小箱梁的撓度變化曲線。圖中,工況 1代表 1#,1'#臨時支座拆除;工況 2代表 1#,1'#,2#,2'#臨時支座拆除;工況 3代表 1#、1'#～3#,3'#險時支座拆除,工況 4代表 1#、1'#～4#,4'#臨時支座拆除。撓度的取值節(jié)點(diǎn)為箱梁底板的中點(diǎn)。

從圖 3中可以看出,臨時支座的拆除(永久支座的安裝)引起了較大的結(jié)構(gòu)撓度。這種影響僅是在相鄰的兩跨內(nèi)比較明顯,在其他跨內(nèi),影響迅速衰減。第一個臨時支座的拆除影響最大:對邊梁,臨時支座的拆除在第一跨引起了3mm左右的下?lián)?而對中梁,相應(yīng)位置的下?lián)蠟?2.5mm。而對 2,3,4跨,由于受前一跨相鄰支座拆除的影響,以及本跨內(nèi)相鄰支座的拆除影響,其撓度分布為前半跨上撓,而后半跨下?lián)?并且撓度的數(shù)值大大降低.對最后一跨,由于沒有出現(xiàn)臨時支座脫空的情況,拆除的臨時支座基本對稱,結(jié)構(gòu)引起的正負(fù)撓度效應(yīng)基本抵消,因此,總的結(jié)構(gòu)撓度效應(yīng)很小;由此,可以認(rèn)為,選擇合理的頂端預(yù)應(yīng)力束張拉順序,盡量合理的安排工序,使得張拉完畢后,各臨時支座不出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象,同時拆除的兩臨時支座的支承反力相差不大,應(yīng)當(dāng)作為進(jìn)行連續(xù)端混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力束張拉順序優(yōu)化的一個目標(biāo)。

5 二期恒載(橋面鋪裝、欄桿等)施工過程仿真分析

在各箱梁間橫向聯(lián)系現(xiàn)澆帶施工完成后,橋梁便成為了一個整體承受將來的二期恒載和運(yùn)營階段的汽車等荷載。由圖4可知:

(1)在橋面鋪裝荷載作用下,邊梁和中梁均產(chǎn)生了約2mm的豎向撓度(邊跨),其撓度沿縱向的分布一如在均布線荷載下的梁的撓度曲線;

(2)在邊跨的下緣,跨中部位最大產(chǎn)生了約 1MPa的拉應(yīng)力,而在各支點(diǎn)處,則產(chǎn)生了近2MPa的壓應(yīng)力;截面上緣的附加應(yīng)力水平稍低,在各跨的跨中處,有0.5MPa的壓應(yīng)力,而在支點(diǎn)截面,應(yīng)力水平很低。對結(jié)構(gòu)的受力是有利的;

(3)在均勻的橋面鋪裝荷載作用下,箱梁上緣截面的縱向應(yīng)力沿橫向的分布總體均勻,但在邊梁位置處也有從邊翼緣向中翼緣增大的趨勢。

圖4 橋面佑裝安裝后結(jié)構(gòu)挽度和應(yīng)力的分布

邊梁邊跨跨中在單梁單跨簡支、五跨連續(xù)以及成橋狀的約束條件下,在結(jié)構(gòu)自重荷載作用下,跨中應(yīng)力的分布情況,可以得出隨結(jié)構(gòu)規(guī)模的擴(kuò)大,縱向和橫向聯(lián)系的增加,空間效應(yīng)明顯減小。在 5跨連續(xù)的狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)邊跨跨中、中跨跨中以及次邊跨中的應(yīng)力分布情況,我們得出隨著兩邊配跨數(shù)目的增加,應(yīng)力的空間效應(yīng)也有所減小。

6 結(jié) 語

預(yù)應(yīng)力作為一種重要的手段,在控制裂縫,提高橋梁的使用性能和方便橋梁的維護(hù)方面有著廣泛的應(yīng)用。但是,預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的分析理論仍然存在著較大的局限,目前多數(shù)結(jié)構(gòu)均為平面分析方法,本文利用其對一座先簡支后連續(xù)分布式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的施工過程進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。

[1] 陳強(qiáng).先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系研究.浙江大學(xué),2002.

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