預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁施工階段受力及變形監(jiān)測(cè)分析

牙韓斌

摘要：文章以某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬分析了施工過(guò)程中箱梁的應(yīng)力和變形特點(diǎn)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，支座截面應(yīng)力整體變化最小，其次是1/4截面，最大的是跨中截面，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均小于允許值，說(shuō)明設(shè)計(jì)滿足要求;初始時(shí)跨中截面撓度較大，當(dāng)?shù)焦r5時(shí)箱梁截面位移趨于0，此時(shí)預(yù)應(yīng)力與自重所產(chǎn)生的拉應(yīng)力基本抵消，截面開(kāi)始表現(xiàn)受壓;隨著預(yù)應(yīng)力逐步增大，截面開(kāi)始產(chǎn)生預(yù)拱度，致使截面上邊緣的拉應(yīng)力增大;預(yù)應(yīng)力鋼束作用下，箱梁的中心出現(xiàn)上凸的反拱，其可以增大防止梁跨中撓度過(guò)大而出現(xiàn)手拉破壞，即增大梁的抗裂性;采用有限元軟件可以較為合理地模擬箱梁的受力性能，并可用來(lái)預(yù)測(cè)橋梁施工過(guò)程中的受力和變形。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力;混凝土箱梁;受力;變形;數(shù)值模擬

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁施工過(guò)程中其受力和變形一直是工程師密切關(guān)注的問(wèn)題，由于其面臨很多不確定因素的影響，因此施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和分析。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究，主要有：胡志紅，趙啟林等[1-2]以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-剛構(gòu)組合箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用ANSYS建立有限元模型，分別計(jì)算了4種荷載工況下箱體的應(yīng)力分布情況，并監(jiān)測(cè)箱梁混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的橫向應(yīng)力，分析了箱梁底板縱向裂縫開(kāi)裂原因;趙志剛，陳偉庚等[3-4]以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨既有線路頂推施工工程為研究對(duì)象，制定了各施工階段的監(jiān)測(cè)方案，測(cè)試了從梁體澆筑階段的預(yù)應(yīng)力張拉至落梁階段全施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形;徐善中、楊建勇等[5-6]以預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋采用懸臂法施工為例，結(jié)合施工方案施工和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Midas CiviL建立的模型參數(shù)進(jìn)行修正，利用自適應(yīng)控制方法對(duì)橋梁施工過(guò)程進(jìn)行安全施工控制，從而保證預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的施工安全。本文主要以某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段重點(diǎn)分析了施工過(guò)程中箱梁的應(yīng)力和變形特點(diǎn)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁工程，橋梁全長(zhǎng)為456.6 m，共12跨，設(shè)計(jì)使用壽命為100年。其箱梁結(jié)構(gòu)類型為單箱形式，施工方法為現(xiàn)澆。[KG（0.05mm]橋梁截面尺寸如下頁(yè)圖1所示，本文主要研究3 #和4 #橋墩中間的4 #梁段，該段梁總長(zhǎng)30.5 m，寬度為13 m，計(jì)算跨度為30 m，使用C50標(biāo)號(hào)混凝土，該段梁的重量約785 t。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

圖2為采用大型有限元軟件Midas Civil建模得到的橋梁4 #梁段箱梁模型圖。方向選取時(shí)以箱梁截面橫向方向?yàn)閤軸，以箱梁截面高度方向?yàn)閥軸，以向上為z軸，且規(guī)定以x軸向右、y軸向內(nèi)以及z軸向上為正方向?？鐝綖?0 m，模型中共有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，共30個(gè)單元，并在節(jié)點(diǎn)32和33處設(shè)有簡(jiǎn)支支撐。

2.2 工況建立及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在施工過(guò)程中，將鋼絞線預(yù)應(yīng)力張拉分為8個(gè)階段，如表3所示，鋼絞線布置如圖3所示，鋼束抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.86 GPa。

對(duì)于梁的位移監(jiān)測(cè)，使用位移計(jì)進(jìn)行，主要對(duì)跨中、1/4截面和支座處截面進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

3 箱梁應(yīng)力及變形結(jié)果分析

3.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

如圖5所示，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的不同工況下不同截面的最大應(yīng)力值曲線。由圖可知，在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，支座截面應(yīng)力整體變化最小，其次是1/4截面，最大的是跨中截面。且在工況1至工況5過(guò)程中，應(yīng)力變化量較小，之后工況應(yīng)力值大幅度增長(zhǎng)。對(duì)于拉應(yīng)力的允許值，可以按照式（1）計(jì)算：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，允許最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為25.1 MPa和2.2 MPa，而實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為15.5 MPa和2.0 MPa，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均小于允許值，說(shuō)明設(shè)計(jì)滿足要求。

如圖6所示，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的不同工況下不同截面的撓度曲線。由圖可知，初始時(shí)跨中截面撓度較大，當(dāng)?shù)焦r5時(shí)梁截面位移趨于0，說(shuō)明梁體所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力與自重所產(chǎn)生的拉應(yīng)力基本抵消，截面開(kāi)始表現(xiàn)受壓;之后，隨著預(yù)應(yīng)力逐步增大，截面開(kāi)始產(chǎn)生預(yù)拱度，致使截面上邊緣的拉應(yīng)力增大。

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖7為梁整體應(yīng)力和變形云圖。由圖可知，預(yù)應(yīng)力鋼束作用下，從梁的外形來(lái)看出現(xiàn)中心上凸的反拱，反拱的存在是有利的，它可以增大，防止梁跨中撓度過(guò)大而出現(xiàn)手拉破壞，即增大梁的抗裂性。圖中顯示箱梁的最大應(yīng)力和位移分別為15.3 MPa和14.1 mm。

圖8為不同工況下不同截面位置處撓度圖。由圖可知，每種工況下箱梁均是跨中撓度最大，往兩側(cè)支座處逐漸減小，且沿跨中兩側(cè)撓度基本對(duì)稱分布。在工況1～5，位移為負(fù)，即箱梁在重力作用下向下彎曲，之后，在預(yù)應(yīng)力鋼束的逐漸作用下，位移由負(fù)變正，在預(yù)應(yīng)力張拉完成之后撓度最大。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法是否合理，下頁(yè)圖9給出了實(shí)測(cè)跨中撓度與數(shù)值結(jié)果對(duì)比圖。由圖可知，各工況下二者吻合度較好，各工況下實(shí)測(cè)跨中撓度與數(shù)值模擬得到的撓度誤差均不超過(guò)10%，且數(shù)值解略大于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明數(shù)值模擬具有一定的安全儲(chǔ)備。

圖10為實(shí)測(cè)跨中最大應(yīng)力與數(shù)值結(jié)果對(duì)比圖，由圖可知，各工況下二者吻合度較好，各工況下實(shí)測(cè)跨中撓度與數(shù)值模擬得到的撓度誤差均不超過(guò)8%。綜上可知，采用有限元軟件Midas Civil可以較為合理地模擬箱梁的受力性能，可用來(lái)預(yù)測(cè)橋梁施工過(guò)程中的受力和變形。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要以某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段重點(diǎn)分析了施工過(guò)程中箱梁的應(yīng)力和變形特點(diǎn)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，支座截面應(yīng)力整體變化最小，其次是1/4截面，最大的是跨中截面。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均小于允許值，說(shuō)明設(shè)計(jì)滿足要求。

（2）初始時(shí)跨中截面撓度較大，當(dāng)?shù)焦r5時(shí)梁截面位移趨于0，此時(shí)預(yù)應(yīng)力與自重所產(chǎn)生的拉應(yīng)力基本抵消，截面開(kāi)始表現(xiàn)受壓;之后，隨著預(yù)應(yīng)力逐步增大，截面開(kāi)始產(chǎn)生預(yù)拱度，致使截面上邊緣的拉應(yīng)力增大。

（3）預(yù)應(yīng)力鋼束作用下，箱梁的中心出現(xiàn)上凸的反拱，它可以增大，防止梁跨中撓度過(guò)大而出現(xiàn)手拉破壞，即增大梁的抗裂性。

（4）各工況下實(shí)測(cè)跨中撓度與數(shù)值模擬得到的撓度和應(yīng)力誤差均較小，說(shuō)明采用有限元軟件可以較為合理地模擬箱梁的受力性能，并用來(lái)預(yù)測(cè)橋梁施工過(guò)程中的受力和變形。

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