曲線梁橋預(yù)應(yīng)力筋定位偏差對結(jié)構(gòu)受力影響

楊吉新 劉 暢 黎建華

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063) (中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 武漢 430060)

0 引 言

由于受到地形、建筑物限制,以及城市美觀等因素的影響，相比較于直線梁橋，曲線梁橋因其平順緩和的線性可以避開較多地形受限和建筑情況復(fù)雜的區(qū)域，現(xiàn)如今已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中[1].但同時曲線梁橋的三維空間構(gòu)造也導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受力情況難以分析，梁橋內(nèi)外側(cè)支反力差導(dǎo)致曲線梁橋存在受扭的情況，其與撓曲變形形成獨(dú)特的彎扭耦合現(xiàn)象[2].查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，近年來國內(nèi)外曲線梁橋在實際運(yùn)營過程當(dāng)中出現(xiàn)了較多的工程事故，如2009年位于津晉高速上的一座曲線匝道橋梁體整體出現(xiàn)傾覆；2011年，浙江上虞立交橋梁體從支座處滑落；深圳春風(fēng)路高架橋的梁體轉(zhuǎn)動造成支座脫空，梁體有滑落的危險等等.

預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋復(fù)雜的空間受力特點(diǎn)為橋梁設(shè)計施工帶來了較多的難題，預(yù)應(yīng)力筋作為曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力中的重要組成部分，合理的設(shè)計與良好的施工質(zhì)量是保障曲線梁橋施工及日后運(yùn)營安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[3].但在施工過程中可能會存在定位鋼筋脫焊，混凝土澆筑擠壓導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)偏位情況，這種偏位情況對于彎梁橋施工與運(yùn)營造成嚴(yán)重的影響.本文以武漢長豐大道快速路高架中的L14聯(lián)為例，對預(yù)應(yīng)力筋偏位所引起橋梁結(jié)構(gòu)受力的變化及其對橋梁的影響進(jìn)行分析，以期對其他曲線梁橋工程提供一定的借鑒，避免此類問題的發(fā)生.

1 工程背景

武漢市二環(huán)線至三環(huán)線一處快速路高架的L14聯(lián)，其結(jié)構(gòu)形式為38 m+70 m+38 m曲線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋.該聯(lián)位于小半徑圓曲線上，曲線半徑為600 m.橋面上設(shè)橫坡縱坡，橫坡設(shè)置為人字形1.5%，單向縱坡為3.8%.該橋橋面寬度與箱梁上頂寬一致為26.0 m，下底板寬度按照15.62～17 m區(qū)間變化.其中箱梁為變梁高式，變化區(qū)間為2.0～4.0 m.主梁橫截面采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系，單箱三室斜腹板式結(jié)構(gòu).縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束分別有232束及292束，群錨體系.橋梁立面圖與平面圖見圖1.

圖1 第14聯(lián)箱梁立面圖和平面圖(單位：cm)

2 理論方法

為了更加精確地研究曲線梁橋預(yù)應(yīng)力筋定位偏差造成的空間受力變化，以及偏位引起的局部應(yīng)力改變，本文選擇有限元分析軟件ANSYS并結(jié)合AUTOCAD軟件進(jìn)行研究，在AUTOCAD軟件中分別建立混凝土梁體和預(yù)應(yīng)力鋼束三維實體模型，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4].有限元ANSYS軟件中處理預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)主要采用整體式以及分離式，其中分離式即是梁體建模后通過施加荷載來模擬預(yù)應(yīng)力作用，而整體式則是采用不同單元模擬混凝土和預(yù)應(yīng)力筋，并施加預(yù)應(yīng)力至預(yù)應(yīng)力筋單元[5].鑒于該曲線梁橋空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文采用整體式建模，通過力筋耦合法以及對預(yù)應(yīng)力單元降溫進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模擬[6].建模時對于混凝土選用ANSYS中的SOLID65來模擬，而對于預(yù)應(yīng)力鋼束則使用LINK180進(jìn)行模擬.在ANSYS中分別建立混凝土曲線梁橋梁體與預(yù)應(yīng)力鋼束模型之后將其二者進(jìn)行耦合，作為整體進(jìn)行研究[7].

曲線梁橋由于結(jié)構(gòu)線性的特殊性，存在大量的空間自由曲面等復(fù)雜幾何體，該種類型橋梁建模過程中難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分，為對模型進(jìn)行空間離散，采用自由網(wǎng)格劃分方式.為確定最適宜的劃分精度，不斷調(diào)整網(wǎng)格的數(shù)量、邊長以及曲率等參數(shù).分別采用20，30，40，50 cm進(jìn)行網(wǎng)格劃分計算，綜合考慮計算結(jié)果的收斂性，以及計算速度，采用20cm進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分[8].箱梁三維實體模型及混凝土與力筋耦合細(xì)節(jié)分別見圖2～3.

圖2 箱梁實體模型

圖3 單元耦合細(xì)節(jié)圖

3 試驗仿真

為驗證計算方法的正確性及網(wǎng)格劃分的精確度，分別建立全橋混凝土模型及全部預(yù)應(yīng)力筋模型進(jìn)行耦合計算，預(yù)應(yīng)力采用降溫法進(jìn)行施加.在梁橋施工過程中需要實時監(jiān)測梁體應(yīng)力、應(yīng)變變化，選擇應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測的橫截面為主梁的重點(diǎn)受力位置[9]，采用JMZX-215型號高精度鋼弦應(yīng)變計監(jiān)測梁體應(yīng)力、應(yīng)變，測點(diǎn)布置在中跨跨中截面(見圖4)，用JMZX-3003型號應(yīng)變測試儀進(jìn)行測試，并且監(jiān)測從混凝土澆筑開始前至施工結(jié)束后的應(yīng)力應(yīng)變，見圖5.由于橋梁梁體由橋下支架支撐且支架尚未拆卸，則試驗不考慮梁體自重造成的影響[10].對比試驗實測數(shù)據(jù)及ANSYS建模計算結(jié)果，見表1.

圖4 中跨跨中截面測點(diǎn)布置圖

經(jīng)過比較試驗實測得到的數(shù)據(jù)與采用ANSYS有限元軟件建模結(jié)果，可以看出建模的理論計算應(yīng)力值與試驗測得的應(yīng)力值相差無幾，也就是說明通過ANSYS實體建模該預(yù)應(yīng)力彎梁橋是較為合理的，也較為正確的模擬了彎梁橋的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，為后續(xù)研究預(yù)應(yīng)力鋼束定位偏差的建模分析提供試驗證明.

圖5 施工過程中跨跨中截面測點(diǎn)應(yīng)力變化圖(單位：MPa)

表1 實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比表 MPa

4 預(yù)應(yīng)力筋定位偏差模擬

4.1 工況設(shè)置

該曲線梁橋橫橋向、縱橋向共計有524束預(yù)應(yīng)力鋼筋，這些預(yù)應(yīng)力鋼筋分布于梁橋的頂板、腹板、邊腹板以及底板處，考慮預(yù)應(yīng)力筋偏位造成的結(jié)構(gòu)受力影響主要體現(xiàn)在腹板鋼束，本文僅研究腹板預(yù)應(yīng)力鋼束的偏位影響[11-12].該曲線梁橋的截面為單箱三室，中、邊腹板各有五束預(yù)應(yīng)力鋼筋，共計20束.腹板處鋼束共有兩種布置形式，中間豎直布置，兩側(cè)平行于邊腹板傾斜布置.將腹板預(yù)應(yīng)力鋼束依次編號，同時將腹板鋼束由箱梁內(nèi)側(cè)到外側(cè)分為A，B，C，D四個部分見圖6.

圖6 腹板鋼束編號示意圖

為對比研究曲線橋預(yù)應(yīng)力筋偏位對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響,分別設(shè)置四種工況如下.工況一：全橋腹板預(yù)應(yīng)力鋼筋未偏位，即正常狀態(tài)；工況二：A，B，C，D四個區(qū)域腹板鋼束全部向箱梁外側(cè)偏移10 cm；工況三：A，B兩個區(qū)域腹板鋼束向箱梁內(nèi)側(cè)偏移10 cm,C，D兩個區(qū)域腹板鋼束向箱梁外側(cè)偏移10 cm；工況四：A，B，C，D四個區(qū)域腹板鋼束全部向箱梁內(nèi)側(cè)偏移10 cm.

4.2 計算結(jié)果對比

建立箱梁及腹板預(yù)應(yīng)力鋼束模型，考慮自重作用，預(yù)應(yīng)力作用通過降溫法施加，分別計算上述四類工況，提取四種工況的計算結(jié)果對比全橋豎向位移、支點(diǎn)反力、支點(diǎn)位移以及箱梁中跨跨中截面控制點(diǎn)應(yīng)力和位移情況，從整體到局部全面分析預(yù)應(yīng)力筋偏位造成的梁體結(jié)構(gòu)受力變化.四種工況下全橋位移見圖7.

圖7 全橋豎向位移云圖

對比腹板預(yù)應(yīng)力筋偏位狀態(tài)下以及正常狀態(tài)下的箱梁全橋豎向位移，可以看出當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋定位出現(xiàn)偏差時，全橋位移變化不大，撓度最大處位于中跨跨中區(qū)域.同時可以明顯觀察到當(dāng)腹板鋼束發(fā)生偏位時，中跨跨中區(qū)域箱梁截面變形云圖發(fā)生改變，當(dāng)鋼束向外側(cè)偏位時即工況二，跨中截面變形更為均勻，當(dāng)鋼束向內(nèi)側(cè)偏位時即工況四，箱梁外側(cè)翼緣板豎向位移變大，內(nèi)側(cè)翼緣板豎向位移變小[13].預(yù)應(yīng)力筋的偏位容易造成箱梁中跨跨中截面各空間位置點(diǎn)的變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致箱梁出現(xiàn)翹曲、扭轉(zhuǎn)、畸變的不良變形情況，甚至產(chǎn)生裂縫，危害橋梁的運(yùn)營安全.

圖8 四類工況下各橋墩內(nèi)外側(cè)支反力差值和內(nèi)側(cè)支點(diǎn)橫橋向位移對比

由圖8a)可知，當(dāng)腹板鋼束整體向外偏位或整體向內(nèi)偏位時，各橋墩內(nèi)外側(cè)支反力差值明顯增大，而工況三內(nèi)外兩側(cè)均有偏移則變化不大，與正常情況接近.支反力的差值增大會加劇橋梁傾覆風(fēng)險，尤其對于曲線梁橋這類對反力差值較為敏感的結(jié)構(gòu)形式.由圖8b)可知，鋼束的偏位會增大橋梁支點(diǎn)橫橋向位移，造成支點(diǎn)截面的畸變，同時增加箱梁橫向滑移風(fēng)險.

為深入分析預(yù)應(yīng)力鋼束的定位偏差對曲線梁橋腹板局部造成的影響，對中跨跨中截面腹板24個節(jié)點(diǎn)的計算結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，節(jié)點(diǎn)位置見圖9，對比分析所四種工況條件下腹板節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況見表2.

圖9 四類工況下各橋墩內(nèi)側(cè)支點(diǎn)橫橋向位移對比

節(jié)點(diǎn)工況一工況二工況三工況四節(jié)點(diǎn)工況一工況二工況三工況四①-4.16-3.68-4.67-4.55-5.18-5.59-4.78-4.69②-1.66-1.17-2.16-2.03-2.65-3.06-2.26-2.16③-0.05-0.45-0.55-0.46-0.24-0.640.160.26④-4.57-5.19-4.18-4.27-4.78-4.48-5.38-5.38⑤-2.54-3.15-2.14-2.25-2.46-2.16-3.05-3.05⑥-0.52-1.12-0.11-0.21-0.200.12-0.80-0.80⑦-4.91-4.42-5.41-5.31-4.45-4.86-4.05-3.94⑧-2.51-2.01-3.01-2.91-2.41-2.82-2.01-1.90⑨-0.260.24-0.76-0.66-0.28-0.690.120.23⑩-5.18-5.79-4.78-4.88-4.05-3.76-4.65-4.64-2.76-3.37-2.37-2.45-1.14-0.84-1.72-1.72-0.26-0.860.140.11-0.070.23-0.67-0.69

由表2可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生偏移時，近腹板鋼束一側(cè)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值增大，遠(yuǎn)腹板鋼束一側(cè)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值減小，當(dāng)腹板鋼束偏位足夠大時，箱梁底板與腹板交界位置即節(jié)點(diǎn)③，⑥，⑨，，，，，這八個點(diǎn)會出現(xiàn)拉應(yīng)力.局部的應(yīng)力分布不均，極易造成箱梁截面的變形不協(xié)調(diào)，腹板處存在偏心荷載，導(dǎo)致箱梁腹板處產(chǎn)生裂縫，危害橋梁安全.

5 結(jié) 論

1) 當(dāng)腹板鋼束發(fā)生偏位時，中跨跨中區(qū)域箱梁截面變形發(fā)生改變，當(dāng)鋼束向外側(cè)偏位時，跨中截面變形更為均勻，當(dāng)鋼束向內(nèi)側(cè)偏位時，箱梁外側(cè)翼緣板豎向位移變大，內(nèi)側(cè)翼緣板豎向位移變小.預(yù)應(yīng)力筋的偏位容易造成箱梁中跨跨中截面各空間位置點(diǎn)的變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致箱梁出現(xiàn)翹曲、扭轉(zhuǎn)、畸變的不良變形情況.

2) 當(dāng)腹板鋼束整體向外偏位或整體向內(nèi)偏位時，各橋墩內(nèi)外側(cè)支反力差值明顯增大，加劇橋梁傾覆風(fēng)險；同時鋼束的偏位會增大橋梁支點(diǎn)橫橋向位移，造成支點(diǎn)截面的畸變，同時增加箱梁橫向滑移風(fēng)險.

3) 當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生偏移時，近腹板鋼束一側(cè)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值增大，遠(yuǎn)腹板鋼束一側(cè)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值減小，當(dāng)腹板鋼束偏位距離足夠大時，底板與腹板交界處會出現(xiàn)拉應(yīng)力.局部的應(yīng)力分布不均，極易造成箱梁截面的變形不協(xié)調(diào)，腹板處存在偏心荷載，導(dǎo)致箱梁腹板處產(chǎn)生裂縫，危害橋梁安全.

從研究結(jié)果上看，曲線梁橋的預(yù)應(yīng)力鋼束定位偏差問題會對橋梁受力性能帶來較大的負(fù)面影響，嚴(yán)格把控鋼束定位這一施工控制環(huán)節(jié)尤為重要.