預(yù)應(yīng)力鋼束線形對連續(xù)梁橋受力性能的影響分析

周聰

（江西省公路科研設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330008）

0 引言

連續(xù)梁結(jié)構(gòu)自身傳力清晰，在體系施加預(yù)應(yīng)力后具有變形小、剛度大、伸縮縫少、行車舒適、施工便捷、維修簡便、抗震能力強等特點。預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁是常用的橋梁結(jié)構(gòu)[1-4]。在公路橋梁中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以其成熟的結(jié)構(gòu)體系廣泛運用于中小跨徑橋梁中[5]。預(yù)應(yīng)力鋼束是該結(jié)構(gòu)的重要部分，預(yù)應(yīng)力的施加對結(jié)構(gòu)的承載能力以及正常使用功能都會造成影響[6-7]。對于預(yù)應(yīng)力鋼束，其線形對連續(xù)梁橋受力性能的影響還需要進一步探索。本文以重慶某高速公路連續(xù)梁橋作為工程實例，探究預(yù)應(yīng)力鋼束的布置形式對結(jié)構(gòu)性能的影響，以期為預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋設(shè)計中的預(yù)應(yīng)力布置提供參考。

1 研究模型

1.1 工程概況

重慶某高速公路上的4×28m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，分左右幅（本文僅研究左幅），下部結(jié)構(gòu)采用圓柱式墩+樁基礎(chǔ)，單箱三室截面，橋?qū)?6.8m，梁高1.8m。

1.2 仿真模型建立

在建模過程中需要考慮施工階段或者材料時間依存性效應(yīng)，快速建立模型，并可實現(xiàn)模型自動更新[8]。根據(jù)設(shè)計方案，采用Midas Civil 軟件進行有限元分析建模，建模方式為單梁法，上部結(jié)構(gòu)材料為C80，預(yù)應(yīng)力采用抗拉強度為1 860MPa 的鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼束由16 根直徑為18.2mm 的鋼絲組成。相應(yīng)地設(shè)置邊界條件，邊界約束采用“一般支承+一般彈性連接+剛性連接”的方式模擬[9]。

結(jié)合工程背景資料，考慮的荷載包括：自重、二期鋪裝、梁截面升溫、梁截面降溫、整體升溫、整體降溫、預(yù)應(yīng)力、車道荷載、支座沉降、混凝土收縮徐變。其中，自重、二期鋪裝、預(yù)應(yīng)力以及混凝土收縮徐變以施工階段荷載的形式考慮。

1.3 鋼束線形設(shè)計

預(yù)應(yīng)力工藝分為先張法和后張法。后張法具有明顯優(yōu)勢。需要確定的關(guān)鍵因素是預(yù)應(yīng)力鋼束的線形。預(yù)應(yīng)力鋼束所用的鋼絲束，包括冷拔高強鋼絲和鋼絞線兩類，用在大跨度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是用在公用大跨度建筑的梁、柱中，可大幅度減小梁的撓度。運用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力工藝，省去了灌漿工藝的繁瑣。

預(yù)應(yīng)力鋼束由預(yù)應(yīng)力鋼筋組合而成。公路橋涵設(shè)計規(guī)范推薦使用的預(yù)應(yīng)力筋有鋼絞線、消除應(yīng)力鋼絲和精軋螺紋鋼筋。本文擬探究三種不同預(yù)應(yīng)力鋼束布置下的受力差異性，由此得出預(yù)應(yīng)力鋼束的布置對結(jié)構(gòu)的影響，為工程設(shè)計中預(yù)應(yīng)力鋼束的布置提供參考。

橋梁支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的重要部件，其主要作用包括兩個方面：一是將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)，二是滿足上部結(jié)構(gòu)變形的要求。連續(xù)梁橋的支座連續(xù)段位置處由于正負(fù)彎矩的存在而受力復(fù)雜，是連續(xù)梁受力的關(guān)鍵部位[11]。因此，本文的研究中三種不同的預(yù)應(yīng)力鋼束布置主要體現(xiàn)在支座連續(xù)段位置處的布置有所不同，而在其他位置處的布置形式一致。本橋為四跨連續(xù)梁橋，故支座連續(xù)段位置有3處，3個支座連續(xù)段的鋼束布置形式一致。

方案一為標(biāo)準(zhǔn)方案，豎彎點分別在距跨中1.8cm,2.8cm, 4cm 處，支座處的鋼束高度分別為0.98cm,1.0cm,1.18cm。方案二相較于方案一，鋼束豎彎的位置點不變，支座處的鋼束由上至下高度分別降低20cm, 18cm, 10cm。方案三相較于方案二，支座處的鋼束高度不變，上部豎彎點分別向外側(cè)移動0.8m,1.8m,2m，即改變了豎彎位置，增大了鋼束在支座連續(xù)段位置處的水平長度。

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

通過對三種預(yù)應(yīng)力鋼束線形下的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，提取支反力、變形、內(nèi)力、應(yīng)力、抗彎承載能力5個指標(biāo)進行詳細分析。

2.1 支反力

橋梁運營過程中，支座主要承受豎向力作用。荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合下提取結(jié)構(gòu)支反力，分析結(jié)果可知，當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力鋼束時，兩端支座的反力值略微增大，中間支座的反力值略微減??；當(dāng)增大支座連續(xù)段位置鋼束的水平段長度后，兩端支座的反力值略微減小，中間支座的反力值略微增大，但是，最中間的支座處反力值略微降低?？偟膩碚f，改變鋼束形式對支反力影響不大。

2.2 變形

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用高強度材料，與跨長相比，其截面尺寸較普通鋼筋混凝土構(gòu)件小，而且預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)所使用的跨徑范圍一般也比較大，故設(shè)計中需要注意預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的變形情況。因此，以變形作為影響因素進行分析。根據(jù)工程背景，在標(biāo)準(zhǔn)組合下查看結(jié)構(gòu)的變形，三個結(jié)構(gòu)的最大變形均出現(xiàn)在第二跨和第三跨的跨中位置。

變形云圖線形和變化趨勢基本一致，只是變形的最大值略微不同。3種方案下的最大撓度如表1所示。

表1 最大撓度值 單位：mm

改變鋼束形式的方案三，與方案二相比，數(shù)值變化不大。降低鋼束高度的方案二，與方案一相比，數(shù)值變化較大。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)改變鋼束形式后，對結(jié)構(gòu)的最大撓度影響不大，降低鋼束高度后，結(jié)構(gòu)最大撓度增大約1mm，增大水平段長度使最大撓度增大約0.2mm。

2.3 梁單元內(nèi)力

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的受力是以受彎為主。在荷載作用下，受彎構(gòu)件的截面會承受彎矩和剪力的作用。所以，需要以內(nèi)力作為評判指標(biāo)。在荷載的基本組合下提取結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值。3 種方案結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖線形和變化趨勢相似，最大彎矩與最小彎矩的數(shù)值有所差別，具體如表2所示。

表2 最大和最小彎矩值 單位：kN·m

由表2 可知，當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力鋼束后，結(jié)構(gòu)的最大彎矩增大約3 000kN·m，最小彎矩減小約3 000kN·m；當(dāng)增大水平段長度后，最大彎矩減小約2 000kN·m，最小彎矩增大約2 300kN·m。

2.4 梁單元應(yīng)力

在基本組合下提取結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，3 種方案下支座連續(xù)段位置處的應(yīng)力值如表3所示。

表3 應(yīng)力值 單位：MPa

由表3 可知，當(dāng)降低鋼束高度后，拉應(yīng)力減小1MPa，壓應(yīng)力增大0.9 MPa；當(dāng)增加水平段長度后，拉應(yīng)力增大0.7 MPa，壓應(yīng)力減小0.7 MPa。

通過分析梁單元內(nèi)力及應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，降低鋼束與增大支座連續(xù)段的鋼束長度，對結(jié)構(gòu)的影響是相反的?？梢愿鶕?jù)這一結(jié)論指導(dǎo)應(yīng)力束組合，優(yōu)化目標(biāo)，使連續(xù)梁橋受力更加均衡，改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。

2.5 抗彎承載力

抵抗彎矩圖，又稱材料圖，就是沿梁長各個正截面按實際配置的總受拉鋼筋面積能產(chǎn)生的抵抗彎矩圖，表示各正截面的抗彎承載力。通過對Midas Civil中的模型進行有限元仿真分析后，轉(zhuǎn)入到Midas Civil Designer程序中進行驗算。通過驗算，得到支座連續(xù)段位置處102#構(gòu)件的抗彎承載能力驗算值，如表4所示。

表4 102#構(gòu)件的驗算值

支座連續(xù)段位置左側(cè)24#構(gòu)件的驗算值如表5所示。

表5 24#構(gòu)件的驗算值

由表4、表5 可知：降低支座位置處的鋼束高度，該位置處的結(jié)構(gòu)最大正彎矩值增大，最大負(fù)彎矩值減小，但鋼束的下移增大了結(jié)構(gòu)正抗彎承載力，減小了結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩承載力；增大支座連續(xù)段位置處水平段的長度，結(jié)構(gòu)最大正彎矩值將減小，該位置處結(jié)構(gòu)的最大負(fù)彎矩值增大，但水平段長度的增大減小了結(jié)構(gòu)的正抗彎承載力，增大了結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩承載能力。

由表5也可以看出，24#構(gòu)件在方案1標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)抗彎承載力低于結(jié)構(gòu)所受的彎矩，安全系數(shù)僅為0.9，當(dāng)降低支座連續(xù)段位置處鋼束的高度后，雖然正彎矩值增大了，但是結(jié)構(gòu)正彎矩承載力有較大幅度提升，因此結(jié)構(gòu)抗彎承載力滿足受力要求。

通過以上分析可知，降低鋼束高度與增大鋼束水平段長度會產(chǎn)生相反的效應(yīng)，因此僅就抗彎能力而言，兩種方式不宜同時采取。

在實際工程設(shè)計中，改變鋼束位置會影響結(jié)構(gòu)在相應(yīng)位置處的抗彎能力與應(yīng)力水平，應(yīng)該根據(jù)驗算結(jié)果，分析抗彎能力薄弱的原因，從而選擇改變鋼束形式的正確方式。

3 結(jié)論

本文對不同預(yù)應(yīng)力鋼束方案進行了詳細說明，對各方案下的支反力、變形、梁單元內(nèi)力、梁單元應(yīng)力和抗彎承載力進行了詳細的計算分析。通過對預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁支座連續(xù)段位置處預(yù)應(yīng)力鋼束的改變，分析其對結(jié)構(gòu)的影響，得出如下結(jié)論：

（1）改變支座連續(xù)段位置處的預(yù)應(yīng)力鋼束，對結(jié)構(gòu)支反力、變形、內(nèi)力及應(yīng)力影響很小。

（2）降低支座連續(xù)段位置處的預(yù)應(yīng)力鋼束，可增大該位置處的正彎矩，提高其正彎矩承載能力，與此同時也減小了該位置處的負(fù)彎矩，降低了其負(fù)彎矩承載能力。

（3）增大支座連續(xù)段位置處的水平段長度，可減小該位置處的正彎矩，降低其正彎矩承載能力，與此同時也增大了該位置處的負(fù)彎矩，提高了其負(fù)彎矩承載能力。

（4）降低鋼束高度與增大鋼束水平段長度會產(chǎn)生相反的效應(yīng)，因此在通過調(diào)整鋼束來改善結(jié)構(gòu)抗彎能力時，兩種方式不宜同時采用。