預(yù)應(yīng)力配束對連續(xù)箱梁內(nèi)力影響分析

姜 磊

（北京國道通公路設(shè)計研究院股份有限公司，北京100053）

1 概述

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式在市政及公路橋梁建設(shè)中屢見不鮮，影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素有很多，但設(shè)計的最終是結(jié)構(gòu)抗力大于結(jié)構(gòu)內(nèi)力。從抗力和內(nèi)力兩個方向追溯，影響內(nèi)力的因素主要有作用效應(yīng)、跨徑布置等，影響抗力的因素主要有配筋、配束、截面尺寸和材料特性等，其中兩項同時影響的因素有配束、截面尺寸和材料特性等。但在工程設(shè)計中一些參數(shù)受到限制已經(jīng)固定，例如活載類型、二期恒載、材料特性、結(jié)構(gòu)高度以及跨徑，為了滿足結(jié)構(gòu)要求，只能從配束方式得以解決，因此有效的預(yù)應(yīng)力配束對工程設(shè)計有著重要的影響。

在實際工程中，考慮到預(yù)應(yīng)力損失、溫度與收縮徐變的影響，連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)一般控制在一聯(lián)150 m以下，跨徑一般為2跨、3跨、4跨、5跨，本次分析便從這4種跨徑形式出發(fā)，分別對其進(jìn)行計算比較分析，得出結(jié)論以指導(dǎo)設(shè)計。

2 計算分析主要內(nèi)容

本次計算分析內(nèi)容主要有兩項：

a）不同分跨對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，主要對比結(jié)構(gòu)各跨跨中及支點彎矩，因為連續(xù)梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力束筋的布置通常以實際荷載作用下的彎矩圖形的線型變化為參考，即吻合束線型。

b）各跨跨中預(yù)應(yīng)力束重心位置對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，主要對比結(jié)構(gòu)各跨跨中及支點彎矩。

3 計算模型及計算程序的選取

為了分析結(jié)果具有可比性，擬定結(jié)構(gòu)的跨徑統(tǒng)一為30 m，分別為：

a）結(jié)構(gòu)一2×30 m；

b）結(jié)構(gòu)二3×30 m；

c）結(jié)構(gòu)三4×30 m；

d）結(jié)構(gòu)四5×30 m。

模型采用平面桿系單元，支承為鉸接，截面抗彎剛度EI=1.26×1011m2,自重G=95 kN/m，計算程序采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器（SM Solver）。計算模型圖見圖1。

圖1 2～5跨計算模型圖

各跨跨中梁底預(yù)應(yīng)力鋼束重心位置變化采用等代作用效應(yīng)，即通過配重調(diào)整模擬。當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束重心下移，相當(dāng)于自重卸荷；預(yù)應(yīng)力鋼束重心上移動，相當(dāng)于自重加荷。

4 計算結(jié)果分析

4.1 恒載作用下內(nèi)力（彎矩）結(jié)果對比

通過計算得出4種分跨結(jié)構(gòu)自重下（不考慮預(yù)應(yīng)力）的內(nèi)力結(jié)果，對其進(jìn)行匯總，比較每種分跨結(jié)構(gòu)對箱梁內(nèi)力的影響。結(jié)果見圖2和表1。

圖2 2～5跨自重內(nèi)力結(jié)果

表1 2～5跨自重內(nèi)力匯總表kN·m

從表1可以看出，各分跨結(jié)構(gòu)支點負(fù)彎矩絕對值和跨中正彎矩值絕對值均為邊跨大于中跨，且全橋負(fù)彎矩絕對值大于正彎矩值絕對值,即全橋由支點負(fù)彎矩控制設(shè)計。3跨結(jié)構(gòu)支點負(fù)彎矩絕對值小于相鄰偶數(shù)跨結(jié)構(gòu)支點負(fù)彎矩絕對值，即奇數(shù)分跨較偶數(shù)分跨合理。

4.2 跨中梁底預(yù)應(yīng)力重心位置調(diào)整內(nèi)力結(jié)果對比

通過分別對各分跨結(jié)構(gòu)邊跨、中跨（對稱調(diào)整自重20%）配重的調(diào)整模擬預(yù)應(yīng)力重心位置的變化來研究結(jié)構(gòu)正負(fù)彎矩的變化規(guī)律。梁底鋼束重心下移，自重減輕20%，梁底鋼束重心上移，自重增加20%。

4.2.1 2跨結(jié)構(gòu)

計算結(jié)果見表2。

表2 2跨結(jié)構(gòu)調(diào)束內(nèi)力匯總表kN·m

從表2可以看出，邊跨跨中梁底鋼束上移，正、負(fù)彎矩均增大；梁底鋼束下移，正、負(fù)彎矩均減小。

合理配束方式應(yīng)為跨中梁底鋼束重心盡量壓低。

4.2.2 3跨結(jié)構(gòu)

計算結(jié)果見表3。

表3 3跨結(jié)構(gòu)調(diào)束內(nèi)力匯總表kN·m

從表3可以看出：

a）對于跨中正彎矩 鋼束上移，本跨跨中正彎矩增大，鄰跨正彎矩減小，下移作用相反。

b）對于支點負(fù)彎矩 邊跨跨中、中跨跨中梁底鋼束上移，負(fù)彎矩均增大；梁底鋼束下移，負(fù)彎矩均減小。

因此，配束方式應(yīng)為3跨跨中鋼束盡量壓低，當(dāng)中跨跨中梁頂出現(xiàn)拉應(yīng)力時，可將中跨跨中梁底鋼束適當(dāng)上移以加大中跨跨中正彎矩。

4.2.3 4跨結(jié)構(gòu)

計算結(jié)果見表4。

表4 4跨結(jié)構(gòu)調(diào)束內(nèi)力匯總表kN·m

從表4可以看出：

a）對于跨中正彎矩 邊跨鋼束上移，邊跨跨中正彎矩增大，中跨跨中正彎矩減小，下移作用相反；中跨鋼束上移，中跨跨中正彎矩增大，邊跨跨中正彎矩減小，下移作用相反。

b）對于支點負(fù)彎矩 邊跨鋼束上移，邊跨支點負(fù)彎矩增大，中跨支點負(fù)彎矩減小，下移作用相反；中跨鋼束上移，邊跨、中跨支點負(fù)彎矩均增大，下移作用相反。

因此，調(diào)束方式分為兩組，一組是邊跨鋼束上移與中跨鋼束下移同時進(jìn)行（初次布束），以減小中跨支點負(fù)彎矩；另一組是邊跨鋼束下移與中跨鋼束上移同時進(jìn)行，加大中跨支點負(fù)彎矩。

一般情況下，有時邊跨支點負(fù)彎矩大，有時中跨支點負(fù)彎矩大，此時可通過上述兩組方法進(jìn)行兩處負(fù)彎矩平衡分配。

4.2.4 5跨結(jié)構(gòu)

計算結(jié)果見表5。

表5 5跨結(jié)構(gòu)調(diào)束內(nèi)力匯總表kN·m

從表5中可以看出，6種調(diào)束結(jié)果引起兩種跨中正彎矩趨勢，4種支點負(fù)彎矩趨勢。

a）對于跨中正彎矩 邊跨鋼束上移、中跨鋼束上移和邊中跨鋼束下移均引起邊跨跨中、中跨跨中正彎矩增大，邊中跨跨中正彎矩減小；邊跨鋼束下移、中跨鋼束下移和邊中跨鋼束上移均引起邊跨跨中、中跨跨中正彎矩減小，邊中跨跨中正彎矩增大。

b）對于支點負(fù)彎矩 邊跨鋼束上移、中跨鋼束下移引起邊跨支點負(fù)彎矩增大，中跨支點負(fù)彎矩減小；邊跨鋼束下移、中跨鋼束上移引起邊跨支點負(fù)彎矩減小，中跨支點負(fù)彎矩增大；邊中跨鋼束上移，引起所有支點負(fù)彎矩增大；邊中跨鋼束下移，引起所有支點負(fù)彎矩減小。

由于5跨結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合理布束需根據(jù)初算確定最不利位置后用上述方法進(jìn)行調(diào)束，以改善結(jié)構(gòu)受力使之滿足要求。

5 結(jié)論

通過對以上4種分跨形式的計算分析，總結(jié)出了預(yù)應(yīng)力的配束線型對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響趨勢。綜合來講：

a）奇數(shù)跨較偶數(shù)跨合理；

b）2跨負(fù)彎矩值最大，3跨負(fù)彎矩值最??；

c）跨數(shù)越少受力越明確，跨數(shù)越多受力越復(fù)雜，故實際工程中3跨、4跨結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，2跨、5跨結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少；

d）2跨、3跨結(jié)構(gòu)邊跨跨中預(yù)應(yīng)力鋼束重心盡量壓低；

e）4跨、5跨結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果采用上述調(diào)束方法進(jìn)行調(diào)試。

以上方法均針對各分跨跨中鋼束重心位置進(jìn)行的分析，支點處鋼束重心的位置主要影響該支點處結(jié)構(gòu)的抗力及應(yīng)力，且受力模型及調(diào)整趨勢較明確，此處不再進(jìn)行分析。