基于Midas/Civil大跨連續(xù)剛構橋二次張拉設置作用的研究

劉方華+郭麗+趙鵬

摘要：在連續(xù)剛構橋設計中，設計者往往對使用過程中預應力損失量把握不準確，導致橋梁使用過程中梁體跨中下撓現象較為嚴重，在一些大跨度橋梁結構中尤為明顯。本文針對目前已建橋梁，應用有限元軟件Madis/civil，對其預應力損失進行分析，找出二次張拉位置、二次張拉量以及二次張拉時間對跨中下撓的影響，并提出了一種新的結構優(yōu)化方式。

關鍵詞：連續(xù)剛構橋；跨中下撓；二次張拉

一、引言

隨著交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁建設發(fā)展越來越快，橋梁跨度也在不斷增大。在早期，橋梁中最常見的結構形式是簡支梁橋。簡支梁橋要增加跨徑，需要抵消其跨中截面的自重彎矩。抵抗增加的自重彎矩的辦法就只能是增加截面尺寸，而這樣又不可避免地導致自重的增加，以至于最后截面尺寸的增加大部分都用于抵消增加部分材料自重引起的內力。近年來我國橋梁技術日趨成熟，解決這些病害的能力也越來越成熟，但是隨著橋梁跨徑的不斷增大，跨中持續(xù)下撓以及梁體裂縫兩大問題亟待處理。梁體裂縫的開展會導致主梁剛度下降，從而導致梁體跨中下撓的增長，同時跨中下撓的增長又會導致梁體開裂，當下撓達到較大數值時，病害就比較嚴重了。

近十年來，國內外一些大跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋中均出現了一些大大小小的下撓問題。其中超出設計許可的下撓影響了橋梁的行車安全，降低了橋梁使用年限。在施工控制中采用增大預拋高值的辦法，僅能在一定程度上改善主梁線性，無法從根本上緩解主跨持續(xù)下撓狀態(tài)，以及由此導致的結構狀態(tài)的不斷惡化。橋梁跨中下撓，尤其是大跨度PC連續(xù)剛構橋的病害問題是工程上一個亟待解決的問題，許多學者對此進行了諸多研究，也已取得了一些成果。但是目前仍沒有很好的解決措施，尤其對于一些大跨度的橋梁而言，只能夠定期采取體外預應力加固的方式緩解跨中下撓的病害。本文以已建橋梁為基礎，利用有限元軟件Midas/Civil建立模型，通過實測數據對模型進行驗證，保證模型的正確性，提出二次張拉設想，利用該模型驗證其正確性。此研究對解決跨中下撓問題有著重要的工程價值。

二、工程概況

本文采用的工程模型實例為沅水大橋主橋、黃石公路長江大橋主橋和虎門大橋輔航道橋。沅水大橋主橋總長2856m，是大跨PC變截面懸澆連續(xù)剛構橋；黃石公路長江大橋總長1060m，是五跨PC連續(xù)剛構橋；虎門大橋輔航道橋總長2580m，是三跨PC連續(xù)剛構橋。通過對三座模型進行理論研究，首先驗證了三座橋梁的模型正確性，對比監(jiān)測數據以及模型建立實際受力情況，本研究分別對三座橋梁成橋時工況及預應力損失30%工況下進行建模，并對各自現場實際檢測數據進行比對，發(fā)現模型受力情況完全符合實測要求，驗證模型受力正確。同時發(fā)現三座橋梁截至維護加固前其跨中下撓均已超過預應力損失30%工況的下撓值。

三、二次張拉設置對大跨PC連續(xù)剛構橋的作用

1.二次張拉設置方法的提出

通過實測數據與模型對比發(fā)現，跨中下撓的首要危害因素是預應力損失。為治理此種病害，本文特提出一種二次張拉設置方式，通過在橋梁底板中預留一定數量的預應力孔道，在合適的時間對其進行二次張拉，可以有效地解決此類病害問題。

2.二次張拉位置確定

通過對比各類不同情況的影響比例發(fā)現，沅水大橋主橋在跨中張拉影響比例不到10%，而在第5個懸澆段張拉影響比例達到20%；虎門大橋輔航道橋較為平穩(wěn)，跨中張拉影響比例為102%，而在第4～6個懸澆段位置均能達到17%以上；黃石公路長江大橋跨中張拉影響比例為20%，而在第4～6個懸澆段位置可以達到30%。三座橋梁模型驗證得出的結論都有相同的規(guī)律，從跨中出每跨一個懸澆段張拉影響都在逐漸升高，待到4～6個懸澆段之后由于預應力束的增長，預應力補充反而減少，張拉影響比例也在逐漸下降。由此可知，在距離1/4跨左右處（4～6個懸澆段位置）張拉的恢復效果最好。

3.二次張拉數量確定

沅水大橋主橋在張拉數量比例為10%時，位移變化量僅有135%（095cm），底板最大壓應力也只有686MPa，但當其張拉數量比例在35%時，位移變化量能達到4182%（294cm），底板最大壓應力也增加至1025MPa，如果張拉數量繼續(xù)增大，將導致底板抗拉達到極限而開裂；虎門大橋輔航道橋在張拉數量比例為10%時，位移變化量僅有53%（316cm），底板最大壓應力也有1541MPa，但是當其張拉30%時，位移變化量可達16%（951cm），其底板應力高達21MPa；黃石公路長江大橋在張拉數量比例10%時，位移變化量僅有1218%（183cm），底板最大壓應力可達932MPa，但是當其張拉30%時，位移恢復量可達3546%（533cm），但底板最大壓應力也達到1622MPa。通過對比數量變化可知，張拉量越大，跨中下撓的恢復越好，但是張拉時應力也越大；同時張拉恢復量及底板最大壓應力也和橋梁跨度有關，跨度越大恢復量越小，所以在滿足底板最大壓應力的前提下選擇合適的張拉數量最為適宜。

4.二次張拉時間確定

在確定二次張拉時間時，本文通過采用五個時間段進行二次張拉，對比不同張拉時間時對橋梁跨中下撓的恢復量以及底板最大壓應力，從而找出其中最有利的張拉時間。五個不同時間工況分別為成橋時、成橋一年后、成橋兩年后、成橋三年后以及成橋五年后。通過不同時間張拉發(fā)現，沅水大橋主橋從成橋時的底板最大壓應力1076MPa降低至五年后張拉的97MPa。底板最大壓應力呈逐年遞減狀態(tài)，成橋一年后為1031MPa，成橋兩年后為1018MPa，成橋三年后為992MPa，但是恢復位移也越來越少，從563cm降低至543cm。其中成橋一年后為553cm，成橋兩年后為548cm，成橋三年后為546cm。黃石公路長江大橋底板壓應力從1771MPa降低至1531MPa，底板最大壓應力同樣呈逐年遞減狀態(tài)，同時在成橋一年后有明顯的協力變化，其中成橋一年后為1638MPa，成橋兩年后為1592MPa，成橋三年后為1575MPa，位移恢復量也從1453cm降低至1247cm，同時在成橋一年后位移恢復量降低也明顯加快，成橋一年后的位移恢復量就已經降低至1256cm?；㈤T大橋輔航道橋底板壓應力從2963MPa降低至2093MPa，位移恢復量從2578cm降低至2192cm，變化規(guī)律與其他兩座橋梁一致，底板最大壓應力和位移恢復量在成橋一年后都有明顯的斜率變化。通過對成橋后不同時間段進行二次張拉的比較結果可知，張拉時間越晚，對跨中下撓的恢復越不利，但是張拉越早，底板壓應力就越大，在成橋一年后有一個明顯的斜率變化。所以在滿足規(guī)范的前提下，張拉時間盡量選擇在底板壓應力不超標，成橋一年之后為宜。

四、結論

本文根據已建三座橋梁分析，提出了一種二次張拉設置的方法，用于緩解此類病害。通過研究發(fā)現，在距離1/4跨左右處（4～6個懸澆段位置）張拉的恢復效果最好，張拉量不超過規(guī)范要求，張拉時間盡量選擇在底板壓應力不超標的一年之后，保證結構底板最大壓應力滿足相關規(guī)范。按照正規(guī)工藝要求進行施工，將有效地緩解跨中下撓的癥狀。至于如何完全根治此類病害還需要進一步研究。

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基金項目：江西省教育廳科技項目（項目編號：GJJ151156）；江西科技學院校級自然科學研究項目（項目編號：ZR15QN05）。

作者簡介：劉方華（1989—），碩士，講師，研究方向：箱梁橋的設計與分析。