預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁張拉孔道串漿影響研究

趙曉川，趙子雪

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

1 工程概況

武云高速南水北調(diào)大橋?yàn)榭鐝?75 m+93 m+49 m獨(dú)塔斜拉橋，采用平面單索面，塔梁墩固結(jié)體系，邊墩和輔助墩設(shè)置球型支座，橋梁全長為327.48 m。該橋平面位于直線上，縱斷面布設(shè)在R=12 000 m的豎曲線上，主跨梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為7 m，塔上索距為1.6～2.2 m；主塔縱向?yàn)閱沃?，橫向?yàn)榈筜型布置的混凝土結(jié)構(gòu)，塔高96 m。塔柱采用空心箱性截面，上塔柱為對(duì)稱的單箱單室截面過渡到單箱三室截面。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱三室結(jié)構(gòu)，采用C55混凝土，橋面寬度為27 m，箱梁底寬13 m，懸臂長度3.25 m，懸挑端部0.2 m，根部厚0.65 m，中心梁高3.5 m，以橋梁中心線為中心向兩側(cè)分別設(shè)置雙向2.0%橫坡。斜拉索為平面單索面扇形布置，斜拉索采用塑包平行鋼絲束，鋼絲采用φ7鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，并外包雙層聚乙烯護(hù)套。

2 有限元模型建立

采用精細(xì)化有限元模擬的方式分析串漿對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。串漿現(xiàn)象以0#塊居多，因此選擇0#塊截面作為計(jì)算對(duì)象。（1）重點(diǎn)分析頂板部分開槽后對(duì)箱梁框架橫向應(yīng)力的影響，考慮到計(jì)算效率，縱向取4 m作為一個(gè)計(jì)算節(jié)段。（2）考慮到箱梁的對(duì)稱性，以橋梁中軸線為對(duì)稱軸，建立對(duì)稱模型。（3）因施工過程中縱向波紋管均通過0#塊，且橫向鋼束張拉時(shí)已預(yù)先安裝完成，這里按最不利狀態(tài)考慮，不考慮縱向鋼束的影響，模型中扣除波紋管處對(duì)應(yīng)的混凝土單元。（4）頂板束張拉時(shí)對(duì)腹板束影響較小，因此暫不考慮腹板波紋管對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。（5）為評(píng)估頂板開槽帶來的應(yīng)力變化，以橫向鋼束間距0.4 m為一個(gè)工況，分別進(jìn)行縱橋向開槽長度B=0.4 m、0.8 m、1.2 m和3.2 m四種工況下的計(jì)算。

混凝土采用Solid45單元模擬，橫向鋼束采用Link8單元模擬，采用四面體進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，模型的約束方式為：對(duì)稱面上施加橫橋向約束，在模型一側(cè)橫斷面上施加縱橋向約束。箱梁底板底面施加豎向約束，建立的有限元模型見圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，模型采用的的材料參數(shù)見表1。

圖1 A N S Y S有限元模型

表1 材料參數(shù)表

3 結(jié)構(gòu)仿真受力分析

3.1 原設(shè)計(jì)狀態(tài)下箱梁框架的受力分析

分析無串漿問題時(shí)相鄰框架的橫向受力狀態(tài)，主要計(jì)算步驟包括：（1）結(jié)構(gòu)自重；（2）施加橫向預(yù)應(yīng)力；（3）施加橋面鋪裝；（4）施加車輛荷載。橫向張拉應(yīng)力取1 395 MPa，暫不考慮預(yù)應(yīng)力損失。車輛荷載加載方式采用55 t標(biāo)準(zhǔn)車輛作為加載車輛，因計(jì)算模型節(jié)段長4 m，取車輛雙后軸280 kN的軸重作為加載值的大小。

3.2 串漿狀態(tài)下箱梁框架的受力分析

分析有串漿問題時(shí)相鄰框架的橫向受力狀態(tài)，主要計(jì)算步驟包括：（1）結(jié)構(gòu)自重；（2）施加橫向預(yù)應(yīng)力；（3）鑿除部分頂板混凝土；（4）新增修補(bǔ)的混凝土；（5）施加橋面鋪裝；（6）施加車輛荷載。分析中，步驟（3）和步驟（4）采用單元生死的方式進(jìn)行模擬，假定縱橋向開槽長度B=0.4 m、3.2 m兩種工況，橫橋向鑿除的混凝土單元見圖2的四個(gè)部分，即縱向第1層波紋管與橫向波紋管彎曲段接觸位置的頂板混凝土。圖3為鑿除混凝土后的有限元模型。

圖2 頂板鑿除區(qū)域

圖3 鑿除混凝土局部有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

圖4給出了開槽前箱梁橫橋向變形云圖，最大橫向變形出現(xiàn)在翼緣板端部，約為1.5 mm。圖5為考慮箱梁自重下開槽前箱梁橫橋向應(yīng)力云圖，計(jì)算表明，橫向張拉預(yù)應(yīng)力束厚箱梁頂板均處于受壓狀態(tài)，最大值位于翼緣板頂板處，約為9.8 MPa；邊室和中室頂板中心處預(yù)壓應(yīng)力分別約為3.4 MPa和1.1 MPa。

圖4 開槽前箱梁橫橋向變形

圖5 開槽前箱梁橫橋向應(yīng)力

對(duì)于箱梁結(jié)構(gòu)，頂板開槽后將倒置翼緣板部分截面出現(xiàn)削弱，翼緣板出現(xiàn)附加偏心彎矩，從而導(dǎo)致翼緣板底緣應(yīng)力增大，因此首先在開槽位置沿著翼緣板底緣提取橫橋向的混凝土應(yīng)力，如圖6（a）所示。另外對(duì)于混凝土箱梁框架，頂板橫向受力類似于多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，腹板附近的解決削弱會(huì)引起頂板頂面的橫向應(yīng)力增大，因此同時(shí)提取圖6（b）所示的C-D路徑的橫向應(yīng)力結(jié)果。

圖6 應(yīng)力提取路徑示意

當(dāng)僅考慮一根橫向鋼束位置出現(xiàn)串漿時(shí)，假定計(jì)算鑿除長度為0.4 m，提取的翼緣板板底及頂板板頂?shù)臋M向應(yīng)力在不同施工階段的變化曲線，見圖7。

圖7 不同工況下頂板橫向應(yīng)力變化曲線，鑿除寬度B=0.4 m

可以看出，相對(duì)于4 m長度的計(jì)算框架，0.4 m的鑿除長度對(duì)翼緣板板底的應(yīng)力狀態(tài)幾乎無影響。對(duì)于板頂應(yīng)力，鑿除混凝土重修補(bǔ)后，附近預(yù)壓應(yīng)力將得到釋放，但施加二次鋪裝及車輛荷載后，再次引起的應(yīng)力變化較小，車輛荷載作用下鑿除區(qū)域混凝土未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖8為鑿除寬度B=3.2 m時(shí)的橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，此時(shí)由于鑿除面積的進(jìn)一步擴(kuò)大，翼緣板自重和橫向預(yù)應(yīng)力共同作用下的翼緣板底緣壓應(yīng)力幾乎被因混凝土鑿除后引起的附加彎矩所抵消，但由于正常使用狀態(tài)下翼緣板底緣為受壓區(qū)，因此該工況下的鑿除寬度對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。從圖8（b）可以看出，二期鋪裝層施加后，修補(bǔ)混凝土的應(yīng)力狀態(tài)變化較小，未出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力。

圖8 不同工況下頂板橫向應(yīng)力變化曲線，鑿除寬度B=3.2 m

為進(jìn)一步量化不同鑿除長度對(duì)箱梁受力狀態(tài)的影響，選取圖9所示的翼緣板根部底板J點(diǎn)和邊腹板處的箱梁頂板K點(diǎn)進(jìn)行說明，圖10和圖11分別給出了不同鑿除長度下這兩點(diǎn)橫向應(yīng)力的變化情況。

圖9 J點(diǎn)、K點(diǎn)位置

圖10 J點(diǎn)橫向應(yīng)力變化曲線（二期鋪裝施工前）

從圖10可以看出，相對(duì)于原設(shè)計(jì)狀態(tài)下的4 MPa壓應(yīng)力，隨著鑿除長度的增加J點(diǎn)橫向應(yīng)力逐漸降低，因此為避免截面削弱明顯和橫向束張拉時(shí)翼緣板底緣出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力，應(yīng)避免縱橋向沿波紋管方向連續(xù)鑿除翼緣板位置混凝土。

圖11 K點(diǎn)橫向應(yīng)力變化曲線（車輛荷載作用下）

從圖11可以看出，鑿除混凝土后存在應(yīng)力釋放現(xiàn)象，但由于二期鋪裝的共同作用箱梁頂板解決于中性軸位置，因此雖然K點(diǎn)位于負(fù)彎矩區(qū)，車輛荷載作用下該處橫向應(yīng)力水平較小。

5 結(jié)語

針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁孔道串漿鑿除處理問題，采用數(shù)值有限元方式通過取0#塊處4 m的計(jì)算長度，并分別考慮不同開槽長度工況，分析了鑿除混凝土對(duì)箱梁應(yīng)力狀態(tài)的影響。（1）橫向鋼束張拉后鑿除板頂部分混凝土?xí)?dǎo)致該區(qū)域橫向應(yīng)力釋放，新修補(bǔ)混凝土橫橋向處于零應(yīng)力狀態(tài)。（2）相對(duì)于原設(shè)計(jì)狀態(tài)下的4 MPa壓應(yīng)力，隨著鑿除長度的增加，翼緣板根部底緣位置橫向應(yīng)力逐漸降低，但正常使用狀態(tài)下該區(qū)域處于受壓區(qū)，不影響正常使用。（3）車輛荷載作用下處于負(fù)彎矩區(qū)的頂板與腹板交界處，隨著開槽長度的增加，板頂橫向應(yīng)力的變化較小，標(biāo)準(zhǔn)55 t車輛荷載作用下混凝土拉應(yīng)力處于0.2 MPa以下。（4）開槽及不同開槽長度同樣對(duì)箱梁其他位置的橫向受力狀態(tài)影響較小，可以忽略不計(jì)。

計(jì)算結(jié)果表明，在給定的計(jì)算模式下串漿后頂板縱向開槽對(duì)橋梁整體應(yīng)力狀態(tài)的改變影響較小，可以忽略不計(jì)；開槽處理不影響橋梁后期的正常使用。