簡支轉連續(xù)橋梁支點截面應力測試與研究

郭東升 （遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

簡支轉連續(xù)梁橋以其行車舒適良好、梁體預制安裝施工方便、跨越能力大等優(yōu)點，在我國中小跨徑混凝土橋梁中得到廣泛應用，且占相當大的比重，它兼具了簡支梁橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)點[1～3]。連續(xù)梁橋墩頂負彎矩區(qū)在施工過程中及成橋以后容易出現過大的拉應力繼而產生裂縫，為了控制該區(qū)域拉應力避免橫向裂縫的產生，會在連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)設計負彎矩鋼束[4]。而這個區(qū)域以支點截面受力最大，測試和分析支點截面的應力狀況能夠反映整個區(qū)域的受力是否安全、負彎矩鋼束設計是否合理、張拉是否完全，進而為類似橋梁的設計、施工提供一個參考。

本文以某高速公路連接線上3×40m簡支轉連續(xù)T梁橋為依托，根據橋梁實際情況提出實橋試驗方案并進行跟蹤測試，運用有限元軟件Midas Civil建立試驗橋分析模型，將實測數據和有限元模型數據進行對比分析，討論張拉負彎矩鋼束過程中的支點截面的應力變化狀態(tài)。

1 基本概況

1.1 橋梁概況

本橋為某高速公路連接線上K45+191處的10×40m簡支轉連續(xù)T梁橋，試驗段為其最后一聯（8、9、10三跨）。橋梁跨徑40m，橋寬12.25m，橫截面由5片梁高2.5m主梁組成，主梁采用C50混凝土，試驗段立面圖見圖1。每片主梁配置6束每束5根，15.24mm低松弛鋼筋，張拉控制應力1395MPa，依次張拉9#墩頂和8#墩頂負彎矩束，張拉順序為T3左?T3右?T2左?T2右?T1左?T1右（左、右以小樁號向大樁號方向確定），負彎矩鋼束布置見圖2。

圖1 試驗段立面圖（單位：cm）

圖2 負彎矩鋼束布置圖（單位：cm）

1.2 試驗概況

在試驗段橋梁施工過程中，將振弦式應變計埋設于T梁支點截面，基于橋梁橫截面為5片T梁，選取4號梁為試驗梁。在澆筑墩頂濕接混凝土前，于AA、B-B截面0.21m、1.25m、2.4m高度處預埋混凝土應變計，位置如圖3所示，待墩頂混凝土達到設計強度按順序對負彎矩鋼束進行張拉，在張拉過程中進行數據采集并做好記錄[5][6]，應變計現場布置位置見圖4。

圖3 支點截面應變計測點布置圖（單位cm）

圖4 應變計現場布置

2 模型建立與對比驗證

2.1 有限元模型建立

運用有限元軟件Midas Civil建立試驗段三跨簡支轉連續(xù)預應力混凝土T型梁橋模型，以實際形狀布置負彎矩鋼束并按現場的預應力鋼束張拉順序劃分相應施工階段。建模方法采用梁格法，縱向5片主梁采用空間梁單元模擬，通過主梁截面尺寸計算縱向梁格剛度，為模擬縱梁之間的橫向聯系，橫隔板按照實際位置及尺寸建模，計算其真實的自重和剛度，其他位置按實際主梁翼緣板剛度建立虛擬橫梁，虛擬橫梁不計自重，中橫梁位置進行單元加密以保證其剛度。主梁臨時支座用一般支承模擬，結構除考慮自重外還應有施工荷載、預加力荷載、收縮徐變等[7][8]。張拉階段橋梁有限元模型見圖5。

圖5 張拉階段橋梁有限元模型

2.2 計算值與實測值對比驗證

通過Midas Civil有限元模型的計算，對比A-A、B-B截面1、2、3號應變計位置處有限元計算值和現場實測數據，9-10及8-9墩頂負彎矩鋼束張拉前后A-A、B-B截面應力對比分別見表1、表2。

張拉前后A-A截面應力對比（單位MPa） 表1

張拉前后B-B截面應力對比（單位MPa） 表2

由表1、表2可以看出有限元模型計算得出的A-A、B-B截面應力值與現場實測數據能夠較好的吻合，誤差最大值為9.81%，故認為模型建立方法及過程正確、計算結果合理可靠，能夠反映結構該部位真實受力情況，可作為分析截面應力的依據[9]。

分析表1數據可知，9#墩頂負彎矩鋼束張拉前A-A截面上緣受壓下緣受拉，截面應力值較小均小于0.2MPa，張拉后截面處于全截面受壓狀態(tài)，且截面上、下緣壓應力有明顯增大，說明張拉負彎矩鋼束會使支點截面應力發(fā)生較大變化。分析表2數據得出張拉8#墩頂負彎矩鋼束前，B-B截面同樣是上緣受壓下緣受拉且截面應力值較小，但大于表1中應力值，是因為此時9-10已經張拉完成，使B-B截面應力變大，張拉完成后，截面承受壓應力最大值為4.724MPa，應力沿梁高呈線性變化，A-A、B-B截面鋼筋混凝土處于彈性受力階段，結構受力安全。

3 負彎矩張拉階段應力分析

3.1 張拉9#墩頂鋼束過程截面應力分析

由有限元模型計算出張拉每束鋼絞線后 A-A、B-B截面 0.21m、1.25m、2.4m高度處的應力值，用以分析負彎矩鋼束張拉過程中支點截面的應力狀態(tài)，9#墩頂張拉過程中兩截面應力的變化過程見圖6、圖7。

圖6 9#墩頂鋼束張拉過程A-A截面應力值

圖7 9#墩頂鋼束張拉過程B-B截面應力值

由圖6可以看出，初始A-A全截面受拉但拉應力值較小，最大拉應力為0.213MPa。隨著預應力鋼束的張拉，截面上緣出現壓應力并逐漸增大，從圖中可以看出其變化趨勢越來越緩，說明從張拉T3鋼束到張拉T1對A-A截面應力的影響依次減小。A-A截面1.25m高度處應力同樣向壓應力方向發(fā)展，基本呈直線變化。截面下緣應力在0MPa左右變化，張拉T3拉應力增大，張拉T2、T1向壓應力反向變化，張拉鋼束對截面應力的影響可分為兩部分，一部分是預應力產生的壓應力，表現為圖中1.25m處變化趨勢，另一部分是由于預應力偏心引起彎矩進而使上緣產生壓應力、下緣產生拉應力，表現為圖中上下緣應力的發(fā)展趨勢，而T3鋼束張拉時第二部分起主導作用，于是截面下緣向拉應力增大，T2、T1張拉時，第一部分影響較大，所以截面下緣應力向壓應力方向發(fā)展。

由圖7可知，B-B截面在初始狀態(tài)同樣全截面受拉，在張拉9#墩頂負彎矩鋼束過程中，截面上緣壓應力不斷增大，但壓應力總體較小，最大值達到0.504MPa。截面下緣拉應力會逐漸變大，在鋼束張拉完成后會出現0.973MPa的拉應力，圖中可以看出，上、下緣應力變化趨勢逐漸變陡，說明T1鋼束張拉對B-B截面應力的影響更加明顯，這是因為T1鋼束的錨固點更接近B-B截面。

對比圖6、圖7可以看出，張拉9#墩頂負彎矩鋼束對A-A截面上緣壓應力及B-B截面下緣拉應力影響較大，張拉完成后，A-A截面壓應力明顯大于B-B截面，但最大值為4.849MPa，A-A截面受力安全，此時B-B截面下緣會出現較大的拉應力，所以應該關注8#墩支點處，防止出現裂縫。

3.2 張拉8#墩頂鋼束過程截面應力分析

在9#墩頂負彎矩鋼束張拉完成后，按照順序對8#墩頂進行張拉，其過程中A-A、B-B兩截面1、2、3號應變計對應位置處的應力變化見圖8、圖9。

圖8 8#墩頂鋼束張拉過程A-A截面應力值

圖9 8#墩頂鋼束張拉過程B-B截面應力值

由圖8可以看出，由于通過A-A截面的預應力鋼束已經在前一階段全部張拉完成，所以張拉8#墩頂負彎矩鋼束前，A-A截面內存在較大的壓應力，在張拉過程中，仍然是截面上緣壓應力增大，下緣向拉應力方向發(fā)展，但總體變化幅度較小。由圖9可知，在此過程中BB截面的壓應力有明顯增大，由張拉前的0.504MPa增加到最終的5.546MPa，B-B截面下緣拉應力在張拉T3時增大，而張拉T2、T1時減小。

對比圖8、圖9可得，張拉8#墩頂負彎矩鋼束對A-A截面應力影響較小，而對B-B截面影響偏大。張拉完成后，AA、B-B截面應力分布狀況接近，均為上緣承受5.5MPa左右壓應力，下緣承受0.43MPa左右拉應力，應力大小合理，結構安全，且應力沿梁高線性變化，處于彈性受力階段。

綜上所述，張拉墩頂負彎矩鋼束對鋼束通過的支點截面應力有明顯影響，同時對相鄰支點截面有影響，且未張拉鋼束的受其影響較大，已張拉鋼束受到的影響較小。負彎矩鋼束的作用體現在合理設計的負彎矩鋼束能夠很好地限制支點截面拉應力的產生，進而避免橋面裂縫的出現及張拉完成后的壓應力儲備為后期承受二期恒載和活載等提供保障，發(fā)揮后連續(xù)的作用[10～11]。

4 結論

①橋梁在張拉9#、8#墩頂負彎矩鋼束過程中，兩支點截面上緣應力向壓應力方向發(fā)展，下緣應力向拉應力發(fā)展；張拉完成后，支點截面內存儲5.5MPa左右的壓應力，為承受后期荷載提供應力儲備。

②張拉過程中，T3鋼束對負彎矩鋼束通過的支點截面應力影響較大，T1鋼束對相鄰支點截面應力影響較大。

③A-A截面上緣在整個張拉過程中拉應力較小，B-B截面上緣最大拉應力在出現在8#墩頂的T3鋼束張拉完成時，為0.973MPa，未超過C50混凝土抗拉設計強度，結構安全。