預(yù)應(yīng)力損失對連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)性能的影響分析

張昶

摘 要：針對多跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行研究，采用Midas/Civil軟件對依托工程橋梁結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)、實際狀態(tài)、極端狀態(tài)和成橋20年后等四種工況條件下進(jìn)行有限元計算，并對不同工況下結(jié)構(gòu)彎矩值和跨中撓度對比分析。分析結(jié)果表明：在實際成橋狀態(tài)預(yù)應(yīng)力損失50%的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)中跨合攏段控制節(jié)點彎矩值上升幅度達(dá)28%，撓度增加7mm，這對橋梁結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生了極為不利的影響，并直接導(dǎo)致橋梁后期使用中出現(xiàn)各種病害。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；預(yù)應(yīng)力損失；結(jié)構(gòu)性能

中圖分類號：TH6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： This paper research the stress loss effect of multi-span prestressed continuous rigid bridge performance. Using Midas/Civil software to analyze engineering bridge structure in the ideal state and actual status and extreme state and 20 year operating state. Contrast the value of structure moment and midspan deflection under different working conditions. The results show that： under prestressed loss 50%， the closed node moment rise of 28% and deflection rise 7 mm， this has adverse effect on the bridge and lead to post diseases.

Keywords： Continuous rigid frame bridge； Loss of prestress； Structure performance

引言

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，越來越多的橋梁工程問題暴露出來，例如跨中撓度過大，主梁出現(xiàn)斜裂縫等[1]。各國學(xué)者、專家分析認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力損失過大是造成這些問題的重要因素[2]。目前，對于預(yù)應(yīng)力損失方面的研究雖然得到了廣大專家學(xué)者的重視，也做出了不少成果[3～7]，如李準(zhǔn)華、劉釗《大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋預(yù)應(yīng)力損失及敏感性分析》一文對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，若預(yù)應(yīng)力損失計算偏小，則會導(dǎo)致對橋梁內(nèi)力和撓度計算的較大失真[8]；姚強，柯亮亮在《連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁應(yīng)力和跨中撓度與預(yù)應(yīng)力損失的關(guān)系研究》一文中對比分析了不同預(yù)應(yīng)力損失情況對連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁應(yīng)力及跨中撓度的影響[9]。

參考大量論文資料可以看出，預(yù)應(yīng)力損失計算方法雖然有跡可循，但大多針對三跨大跨徑橋梁進(jìn)行研究分析，對于更多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的研究資料相對較少，而且資料顯示，很多文章僅僅針對當(dāng)前情況下的成橋狀態(tài)進(jìn)行分析，涉及極端預(yù)應(yīng)力損失情況以及多年后成橋狀態(tài)的研究較少。為了更加客觀全面的描述預(yù)應(yīng)力損失對多跨（五跨）預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能的影響，本文針對多跨（五跨）預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行研究，為了進(jìn)一步完善研究成果，還對實際成橋20年后的橋梁狀態(tài)進(jìn)行了分析與預(yù)測，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力損失將直接導(dǎo)致橋梁后期使用中出現(xiàn)跨中撓度過大等病害，嚴(yán)重影響橋梁使用安全和使用壽命。這一研究結(jié)論對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁應(yīng)力損失的研究有著積極的意義，并對其設(shè)計和施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1.工程概況

依托橋梁位于某高速公路上，全長577米，跨徑組合為5×30+（45+3×80+45）+3×30米。主橋為（45+3×80+45）米的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，橋梁平面位于R=1200米圓曲線上，縱斷面位于R=24000米豎曲線上，縱坡為-2.993%。主橋下部結(jié)構(gòu)橋墩系雙肢實心墩，采用翻模施工，分段澆筑。主橋上部構(gòu)造采用掛籃懸臂施工，邊跨現(xiàn)澆段采用滿堂支架施工，合攏段采用吊架施工。合攏順序為：先邊跨，再邊中跨，最后進(jìn)行中跨合攏。當(dāng)全橋合攏貫通后，最后進(jìn)行二期恒載的施加（橋面鋪裝、欄桿造型等）。

2.結(jié)構(gòu)計算模型

本文采用Midas/Civil軟件對該依托工程橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，得出橋梁在不同情況下的跨中撓度以及結(jié)構(gòu)彎矩情況，分析對比以上各預(yù)應(yīng)力損失下的成橋狀態(tài)，研究了有效預(yù)應(yīng)力不足對橋梁結(jié)構(gòu)使用性和耐久性的影響。

文中涉及到的幾種狀態(tài)具體為：

（1）理想狀態(tài)指的是按照規(guī)范中的公式對預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行估算，便可得到鋼束預(yù)應(yīng)力損失的理論計算值，此時的成橋狀態(tài)稱之為理想狀態(tài)；

（2）實際狀態(tài)指1.2恒荷載+1.2鋼束二次+徐變二次+收縮二次的荷載組合下的狀態(tài)；

（3）極端預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)假設(shè)當(dāng)二期恒載施加以后，有效預(yù)應(yīng)力只剩下張拉控制應(yīng)力50%時候的狀態(tài)；

（4）成橋20年后的狀態(tài)是指實際狀態(tài)下經(jīng)過20年的預(yù)應(yīng)力損失情況下的狀態(tài)。

對依托橋梁工程計算時，以空間三維結(jié)構(gòu)模型對其進(jìn)行模擬，采用梁單元模擬各施工節(jié)段，1#、2#、3#、4#墩頂部為剛性固結(jié)，其成橋結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖1所示。

其中橋梁結(jié)構(gòu)模型單元數(shù)：240；橋梁結(jié)構(gòu)模型單元節(jié)點數(shù)：261；施工階段總數(shù)：15；預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)：340。模型分析完以后，輸出理想成橋狀態(tài)下的全橋自重下的結(jié)構(gòu)彎矩圖，經(jīng)驗證該模型與實際情況相符。如圖2所示：

其他狀態(tài)下的成橋結(jié)構(gòu)彎矩圖分別按其實際預(yù)應(yīng)力損失值對模型中相應(yīng)預(yù)應(yīng)力束的張拉力進(jìn)行修改，重新分析模型即可。

3.不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)彎矩值對比分析

選取各合攏段控制點，作出各種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)彎矩值對比表（見表1）和柱狀圖（見圖3）如下：

通過對表1和圖3進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)：

相比理想狀態(tài)，考慮全橋全部預(yù)應(yīng)力束實際預(yù)應(yīng)力損失值的情況下，6#節(jié)點彎矩值上升38.27kN·m，變化不大；34#節(jié)點彎矩值上升4028.82kN·m，達(dá)到6.36%；62#節(jié)點彎矩值上升4034.02kN·m，達(dá)到6.56%；90#節(jié)點彎矩值上升4065.60kN·m，達(dá)到6.41%；118#節(jié)點彎矩值上升48.5kN·m，變化不大。

在假設(shè)的二期恒載施加以后，有效預(yù)應(yīng)力只剩下張拉控制應(yīng)力50%的極端預(yù)應(yīng)力損失情況下，6#節(jié)點彎矩值上升717.44kN·m，達(dá)到9.09%；34#節(jié)點彎矩值上升16761.62kN·m，達(dá)到26.48%；62#節(jié)點彎矩值上升17374.81kN·m，達(dá)到28.27%；90#節(jié)點彎矩值上升16987.66kN·m，達(dá)到26.77%；118#節(jié)點彎矩值上升477.57kN·m，達(dá)到7.30%。

在成橋二十年后的預(yù)應(yīng)力損失情況下進(jìn)行分析，6#節(jié)點彎矩值上升777.48kN·m，達(dá)到9.85%；34#節(jié)點彎矩值上升16858.52kN·m，達(dá)到26.63%；62#節(jié)點彎矩值上升17477.91kN·m，達(dá)到28.44%；90#節(jié)點彎矩值上升17086.65kN·m，達(dá)到26.93%；118#節(jié)點彎矩值上升539.17kN·m，達(dá)到8.24%。

4.不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)位移值對比分析

選取各合攏段控制點，做出各不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)彎矩值對比表（見表2）和柱狀圖（見圖4）如下：

通過對表2和圖4進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：

相比理想狀態(tài)，考慮全橋全部預(yù)應(yīng)力束實際預(yù)應(yīng)力損失值的情況，6#節(jié)點和118#節(jié)點豎向位移基本不變；34#節(jié)點豎向位移增大2.008mm；62#節(jié)點豎向位移增大1.999mm；90#節(jié)點豎向位移增大2.021mm。

在假設(shè)的二期恒載施加以后，有效預(yù)應(yīng)力只剩下張拉控制應(yīng)力50%的極端預(yù)應(yīng)力損失情況下，6#節(jié)點和118#節(jié)點豎向位移增大1mm左右；34#節(jié)點豎向位移增大7.026mm；62#節(jié)點豎向位移增大7.048mm；90#節(jié)點豎向位移增大6.929mm。

在成橋二十年后的預(yù)應(yīng)力損失情況下進(jìn)行分析，6#節(jié)點和118#節(jié)點豎向位移增大2.5mm左右；34#節(jié)點豎向位移增大11.126mm；62#節(jié)點豎向位移增大12.648mm；90#節(jié)點豎向位移增大11.926mm。

5.結(jié)論

本文探討了不同成橋狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力損失對多跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能的影響，對不同工況下結(jié)構(gòu)彎矩值和跨中撓度的對比分析，主要結(jié)論如下：

（1）實際成橋狀態(tài)預(yù)應(yīng)力損失值大于原計算值（預(yù)應(yīng)力損失預(yù)估不足），造成橋梁結(jié)構(gòu)合攏段控制節(jié)點彎矩值均大幅度上升，彎矩值增幅最高達(dá)6.5%以上，其彎矩值增大值最高達(dá)4000kN·m以上。橋梁結(jié)構(gòu)中跨合攏段控制節(jié)點豎向位移均增大2mm左右；

（2）在預(yù)應(yīng)力損失過大的情況下（預(yù)應(yīng)力損失50%），二期恒載施加后，中跨和邊中跨合攏段節(jié)點彎矩值均大幅上升，彎矩值增幅最大達(dá)28.27%，其彎矩值增大值最高達(dá)17374.81kN·m。中跨合攏段控制節(jié)點的豎向位移均增大7mm左右；

（3）在實際狀態(tài)下經(jīng)過二十年預(yù)應(yīng)力損失，中跨和邊中跨合攏段節(jié)點彎矩值均大幅上升，彎矩值增幅最大達(dá)28.44%，其彎矩值增大值最高達(dá)17477.91kN·m，中跨合攏段控制節(jié)點的豎向位移增大11～12mm左右；

（4）預(yù)應(yīng)力損失不僅影響到橋梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點彎矩值，對橋梁結(jié)構(gòu)受力造成威脅，還影響到橋梁的跨中撓度，對成橋線形造成明顯影響，直接導(dǎo)致橋梁后期使用中出現(xiàn)跨中下?lián)线^大等病害，嚴(yán)重影響橋梁的使用安全和使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 涂楊志.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力損失研究[D].武漢.武漢理工大學(xué)，2003.

[2] 楊濤.預(yù)應(yīng)力筋張拉階段應(yīng)力損失實用評估方法研究[D].重慶.重慶交通大學(xué)，2008.

[3] 梁南平.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋的預(yù)應(yīng)力損失試驗研究[D].重慶.重慶交通大學(xué)，2010.

[4] 王敏.從預(yù)應(yīng)力損失角度對混凝土橋梁病害成因的研究[D].武漢.武漢理工大學(xué)，2005.

[5] 朱新實、劉效堯.預(yù)應(yīng)力技術(shù)及材料設(shè)備[M].北京：人民交通出版社，2005.1.

[6] 蘇杭.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板受力分析及預(yù)應(yīng)力損失研究[D].武漢.武漢理工大學(xué)，2007.

[7] 李瑞鴿.全預(yù)應(yīng)力梁預(yù)應(yīng)力損失的動力檢測研究[D].武漢.華中科技大學(xué)，2005.

[8] 李準(zhǔn)華、劉釗.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋預(yù)應(yīng)力損失及敏感性分析[J].世界橋梁，2009.

[9] 姚強、柯亮亮.連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁應(yīng)力和跨中撓度與預(yù)應(yīng)力損失的關(guān)系研究[J].交通世界（建養(yǎng).機(jī)械），2011.

[10] 惠國旺.大跨徑PC剛構(gòu)橋縱向預(yù)應(yīng)力損失及優(yōu)化設(shè)計[D].武漢.武漢理工大學(xué)，2008.