石首長江公路大橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁張拉方案對比分析

田 亮

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司,天津 300300)

石首長江公路大橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁張拉方案對比分析

田 亮

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司,天津 300300)

針對石首長江公路大橋北邊跨混凝土梁段，基于ABAQUS軟件，采用桁架單元T3D2模擬預(yù)應(yīng)力筋，實(shí)體單元C3D10模擬混凝土，建立了混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁段的有限元計(jì)算模型。制定了預(yù)應(yīng)力整體張拉和局部張拉兩種方案，并對這兩種方案下混凝土梁段的受力進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果表明，混凝土箱梁的預(yù)應(yīng)力張拉工序直接影響梁段在吊裝和存梁階段的整體受力。當(dāng)采用局部張拉方案時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土梁段受力狀況良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；張拉工序；ABAQUS；方案比選；有限元分析

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁通過施加預(yù)應(yīng)力以抵消箱梁的自重荷載，從而提高箱梁承載能力，具有整體受力性能好，抗扭抗彎剛度大、便于模塊化施工等特點(diǎn)，是我國橋梁工程中普遍應(yīng)用的橋梁結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁分為現(xiàn)澆箱梁和預(yù)制箱梁兩類，其中預(yù)制箱梁作為一種比較成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各類大跨徑公路橋梁[1]。隨著我國公路交通事業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的公路橋梁開始興建，路橋工程的復(fù)雜性和多樣性對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的施工水平提出了更高的要求。為確保施工安全，需明確預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在施工各階段的受力情況，這對計(jì)算精度和效率提出了更高的要求，以現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論為基礎(chǔ)的有限單元法為解決上述問題提供了一種途徑。

目前對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋在運(yùn)營階段的耐久性研究較多，如針對箱梁腹板開裂和跨中下?lián)线^大等問題的研究已見于諸多文獻(xiàn)[2-5]。但對于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在施工階段的受力研究較少，這將有可能導(dǎo)致梁體在施工過程中產(chǎn)生開裂。以石首長江公路大橋?yàn)楣こ瘫尘?，對不同張拉工序下預(yù)應(yīng)力混凝土梁段在吊裝、移運(yùn)等施工階段的受力進(jìn)行計(jì)算分析，以規(guī)劃合理的預(yù)應(yīng)力筋張拉工序，從而為箱梁的安全施工提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

在建石首長江公路大橋主橋?yàn)殡p塔單側(cè)混合梁斜拉橋，主橋采用主跨820 m的雙塔不對稱混合梁斜拉橋方案，橋跨布置為3×75 m+820 m+(300+100) m。鋼混結(jié)合段位于北塔附近，并伸入主跨距北塔中心線26.5 m；北邊跨采用混凝土主梁，長251.5 m；中跨和南邊跨采用鋼主梁，全長1 193.5 m。主橋橋型布置如圖1所示。

北邊跨混凝土箱梁采用分離式雙箱斷面結(jié)構(gòu)，頂板厚35 cm，底板厚40 cm，斜底板厚35 cm，內(nèi)腹板厚55 cm；索塔區(qū)和支點(diǎn)區(qū)各部位板厚相應(yīng)增厚。橫橋向箱梁底板水平，橋面橫坡由箱梁頂板斜置而成。鋼混結(jié)合段處橫隔板厚0.8 m，其余橫隔板厚32 cm，順橋向橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3.75 m?；炷料淞翰捎萌蝾A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其中A類標(biāo)準(zhǔn)梁段長度為38.5 m，寬7.5 m，采用C55號(hào)混凝土，重約815 t。A類標(biāo)準(zhǔn)梁段橫斷面如圖2所示。

圖1 主橋橋型布置圖(單位：m)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)梁段橫斷面(單位：cm)

北邊跨的混凝土梁段采用節(jié)段預(yù)制、滑移膠拼的施工方案。節(jié)段采用整幅預(yù)制，其中A類標(biāo)準(zhǔn)梁段長7.5 m，吊裝質(zhì)量815.7 t，共20個(gè)；其它梁段長度5.0～7.5 m，吊裝質(zhì)量736.1～1 047.9 t。梁段預(yù)制完成后，通過提升設(shè)備將預(yù)制梁段提升至滑移支架上，滑移至設(shè)計(jì)位置存放、拼裝。按照梁段編號(hào)順序(NJ01、NC01～NC36)從北塔向北邊跨方向拼裝，將全部混凝土梁段和鋼混結(jié)合段連接成形，再按主橋上部構(gòu)造架設(shè)施工順序張拉斜拉索，同時(shí)懸臂吊裝架設(shè)中跨鋼箱梁節(jié)段，直至全橋合龍。標(biāo)準(zhǔn)梁段吊裝及吊點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 梁段吊裝及吊點(diǎn)布置圖(單位：mm)

2 計(jì)算模型

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的模擬，通常有兩類建模方法，整體式模型和分離式模型[6]。其中分離式模型即將混凝土結(jié)構(gòu)和力筋單獨(dú)建模，劃分網(wǎng)格后再進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合成為一個(gè)整體。本文采用分離式建模方法，建立了A類預(yù)應(yīng)力混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁段的計(jì)算模型，以考察在不同預(yù)應(yīng)力張拉工序下吊裝、存梁及滑移階段箱梁的受力情況。

2.1 有限元模型

基于ABAQUS軟件，建立A類標(biāo)準(zhǔn)梁段的有限元實(shí)體模型。為便于分網(wǎng)和提高計(jì)算精度，混凝土采用高階四面體單元C3D10，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用桁架單元T3D2模擬，未模擬普通鋼筋。在ABAQUS中通過*Embeded命令將預(yù)應(yīng)力鋼束內(nèi)嵌于混凝土梁內(nèi)，耦合鋼束與梁體的節(jié)點(diǎn)自由度[7]。標(biāo)準(zhǔn)梁段實(shí)體模型和預(yù)應(yīng)力筋模型分別如圖4、圖5所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)梁段實(shí)體模型

圖5 預(yù)應(yīng)力筋模型

2.2 材料參數(shù)

混凝土箱梁主體結(jié)構(gòu)采用C55混凝土，模型所用的材料參數(shù)按照規(guī)范選用，主要力學(xué)性能如表1所示。梁段移運(yùn)過程中張拉的預(yù)應(yīng)力筋分主要有兩種：高強(qiáng)低松弛鋼絞線和預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。主梁橫向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)低松弛鋼絞線，其公稱直徑Φs15.2 mm；標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa；張拉控制應(yīng)力為0.75fpk；彈性模量Es=195 GPa；熱膨脹系數(shù)1.20E-5?？v向預(yù)應(yīng)力接長束和腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用50 mm預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=830 MPa；張拉控制應(yīng)力為0.9fpk；彈性模量Es=200 GPa；熱膨脹系數(shù)1.10E-5。

表1 C55混凝土力學(xué)性能

2.3 載荷及邊界

載荷主要考慮梁段自重和預(yù)應(yīng)力，并考慮了預(yù)應(yīng)力損失。梁段在地面預(yù)制臺(tái)座預(yù)制完畢后，通過提升設(shè)備逐步提升至滑移支架，在梁段風(fēng)嘴底部對稱布置4個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)布置如圖6所示。梁段在存梁及滑移階段處于四點(diǎn)臨時(shí)支撐狀態(tài)，支座位于梁段的橫隔板處，支座中心與梁段中心橫向距離12 m，臨時(shí)支座布置如圖7所示。在本模型中，為了盡可能準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工況，吊點(diǎn)、支座與梁段底面建立只受壓不受拉的接觸關(guān)系，并約束其豎向位移自由度。

圖6 節(jié)段吊裝吊點(diǎn)位置

圖7 四點(diǎn)臨時(shí)支座布置

2.4 預(yù)應(yīng)力張拉

預(yù)應(yīng)力的施加可通過初試應(yīng)變法和降溫法實(shí)現(xiàn)[8]，其中降溫法是將預(yù)應(yīng)力筋單元人為施加溫降ΔT，鋼筋收縮模擬預(yù)應(yīng)力的施加。在本計(jì)算模型中，鋼絞線預(yù)應(yīng)力的施加通過 “降溫法”實(shí)現(xiàn)，施加的溫降ΔT采用下式計(jì)算

(1)

式中，ΔT表示降溫值；F表示預(yù)應(yīng)力施加值；Es表示彈性模量；Aeff表示鋼束有效截面積；α表示鋼束熱膨脹系數(shù)。

移梁前張拉梁段預(yù)應(yīng)力，采用兩種張拉方案進(jìn)行計(jì)算。第一種方案是張拉全部橫向及豎向預(yù)應(yīng)力，包括頂板束N1、底板束N2，腹板束N3以及橫隔板束(N4, N4′, N5, N5′)；第二種方案是只部分張拉橫隔板束中的N5及N5′，同時(shí)張拉縱向預(yù)應(yīng)力N6，其余橫向及豎向預(yù)應(yīng)力的張拉與第一種方案相同。梁段預(yù)應(yīng)力筋布置如圖8所示。

圖8 預(yù)應(yīng)力筋布置圖

3 結(jié)果分析

基于建立的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的有限元模型，按照兩種張拉方案，橫向、豎向預(yù)應(yīng)力整體張拉方案以及隔板預(yù)應(yīng)力部分張拉方案，對梁段在吊裝及存梁滑移階段的受力進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論分析。

3.1 橫向及豎向預(yù)應(yīng)力張拉

按照第一種張拉方案計(jì)算，將橫向及豎向預(yù)應(yīng)力張拉至控制應(yīng)力，對梁體在吊裝和存梁滑移兩種工況下的受力進(jìn)行討論。

3.1.1 吊裝工況

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50010—2010，C55混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.96 MPa。吊裝工況下梁段的主拉應(yīng)力分布如圖9～圖11所示。

圖9 箱梁主拉應(yīng)力分布(吊裝，頂面)

圖10 箱梁主拉應(yīng)力分布(吊裝，底面)

由應(yīng)力云圖可看出，在橫向和豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉到位的情況下，剔除預(yù)應(yīng)力錨固及吊點(diǎn)處的應(yīng)力集中區(qū)，在橫隔板與底板連接部位，如圖9所示A區(qū)；平地板與斜底板過渡區(qū)域，如圖10所示的B區(qū)，出現(xiàn)了較大范圍的應(yīng)力超標(biāo)區(qū)，最大主拉應(yīng)力值分別約為2.5 MPa和3.6 MPa。這是由于隔板處預(yù)應(yīng)力筋的徑向分力導(dǎo)致的[9]。在該張拉方案下進(jìn)行吊裝作業(yè)，梁段偏于危險(xiǎn)，部分區(qū)域可能會(huì)開裂。圖12為箱梁豎向位移分布，梁體中部最大上拱約11.77 mm，風(fēng)嘴處下?lián)霞s3.13 mm。

圖11 橫隔板主拉應(yīng)力分布(吊裝)

圖12 箱梁豎向位移(吊裝)

3.1.2 存梁滑移工況

存梁、滑移階段箱梁均采用四點(diǎn)臨時(shí)支撐，邊界條件相同，因此采用同一模型進(jìn)行計(jì)算。存梁滑移工況下梁段的主拉應(yīng)力分布如圖13～圖15所示。由應(yīng)力云圖可看出，相比吊裝階段，存梁滑移階段的應(yīng)力超標(biāo)區(qū)范圍擴(kuò)大，數(shù)值也有所增加，應(yīng)力超標(biāo)位置同樣出現(xiàn)在橫隔板與底板連接部位以及平地板與斜底板過渡區(qū)域，最大主拉應(yīng)力值分別約為5.3 MPa和4.6 MPa。由圖16可得，梁段中部上拱最大值與吊裝階段接近，為11.72 mm，但風(fēng)嘴下?lián)洗蟠笤黾?，約為13.7 mm。相比吊裝工況，在該張拉方案下進(jìn)行存梁滑移作業(yè)，箱梁局部開裂的可能性更大。

圖13 箱梁主拉應(yīng)力分布(存梁滑移，頂面)

圖14 箱梁主拉應(yīng)力分布(存梁滑移，底面)

圖15 橫隔板主拉應(yīng)力分布(存梁滑移)

圖16 箱梁豎向位移(存梁滑移)

3.2 隔板預(yù)應(yīng)力部分張拉

采用第二種張拉方案，張拉頂板束N1、底板束N2，腹板束N3，橫隔板束中的N5及N5′，同時(shí)張拉縱筋N6，同樣對箱梁在吊裝和存梁滑移兩種工況下的受力進(jìn)行討論。

3.2.1 吊裝工況

吊裝工況下梁段的主拉應(yīng)力分布如圖17～圖19所示。剔除預(yù)應(yīng)力錨固及吊點(diǎn)處的應(yīng)力集中區(qū)，由應(yīng)力云圖可看出，相比第一種張拉方案，該工況下箱梁主體區(qū)域主拉應(yīng)力值均小于1.96 MPa，不存在超標(biāo)區(qū)，箱梁頂板和橫隔板處于受壓狀態(tài)，有一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。由圖20可看出，該吊裝工況下箱梁中部出現(xiàn)約2 mm的輕微下?lián)希@是由于未張拉隔板預(yù)應(yīng)力束N4和N4′導(dǎo)致?？傮w上看，可認(rèn)為在該張拉方案下，吊裝梁段各部位應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，箱梁偏于安全。

圖17 箱梁主拉應(yīng)力分布(吊裝，頂面)

圖18 箱梁主拉應(yīng)力分布(吊裝，底面)

圖19 橫隔板主拉應(yīng)力分布(吊裝)

圖20 箱梁豎向位移(吊裝)

3.2.2 存梁滑移工況

存梁滑移工況下梁體的主拉應(yīng)力分布如圖21～圖23所示。剔除預(yù)應(yīng)力錨固及支座處的應(yīng)力集中區(qū)，由應(yīng)力云圖可看出，該工況下箱梁主體區(qū)域不存在大范圍應(yīng)力超標(biāo)區(qū)，且頂板、橫隔板等部位存在一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，梁體受力滿足設(shè)計(jì)要求。與吊裝工況不同的是，存梁滑移階段梁體中部上拱約3 mm，風(fēng)嘴處下?lián)霞s4.6 mm，如圖24所示。因此，該張拉方案下，在進(jìn)行存梁滑移作業(yè)時(shí)，梁體是偏于安全的。

圖21 箱梁主拉應(yīng)力分布(存梁滑移，頂面)

圖22 箱梁主拉應(yīng)力分布(存梁滑移，底面)

圖23 橫隔板主拉應(yīng)力分布(存梁滑移)

圖24 箱梁豎向位移(存梁滑移)

4 結(jié)論

基于ABAQUS建立了預(yù)應(yīng)力混凝土梁段的計(jì)算模型，對兩種預(yù)應(yīng)力張拉方案下梁段在吊裝和存梁滑移階段的受力進(jìn)行了對比分析，得到如下結(jié)論：

(1)采用張拉全部橫向及豎向預(yù)應(yīng)力方案，梁體在吊裝和存梁滑移階段，其橫隔板與底板連接部位，以及平地板與斜底板連接過渡區(qū)域，出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力超標(biāo)區(qū)，此時(shí)進(jìn)行施工作業(yè)，梁體偏于不安全，可能產(chǎn)生局部開裂。

(2)采用張拉部分隔板束及縱筋的方案，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)和支座面無沉降，均處于同一水平面時(shí)，梁段在吊裝、存梁和滑移過程中，梁段各部位應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，該狀況下進(jìn)行施工作業(yè)，梁體是安全的。

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Comparison and Study of Stretching Scheme for Prestressed ConcreteBox Girder of Shishou Yangtze River Highway Bridge

Tian Liang

(CRCC Bridge Engineering Bureau Group Co., Ltd. Tianjin 300300, China)

For the north sidespan’s concrete beams of Shishou Yangtze River Highway Bridge, the finite element calculation model of standard concrete beam is established based on ABAQUS software, in which truss element T3D2 is used to simulate the prestressed tendons, and the solid element C3D10 is used to simulate the concrete. The two schemes of prestress integral tension and partial tension are designed, and the stress of concrete beams under these two schemes are compared. The results show that the tensioning procedure of concrete box girder directly affects the integral stress of beam segment during hoisting and storage stage, and the stress condition of the prestressed concrete beam meets the design requirements when the local tension scheme is adopted.

prestressed concrete box girder;stretching procedure;ABAQUS;scheme comparison;FEA

田亮(1984-)，男，工學(xué)博士，工程師，主要從事大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)分析及施工組織設(shè)計(jì)。E-mail: whut_tl@126.com

U446；U448.23

A

2095-0373(2017)02-0017-07

2016-02-05 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.04

田亮.石首長江公路大橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁張拉方案對比分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(2):17-23.