預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁合龍段受力及參數(shù)影響分析

■鄭瑞程

（福建省海盛交通投資有限公司，三明 365000）

預(yù)應(yīng)力箱梁受力特點(diǎn)復(fù)雜， 尤其在箱梁合龍段，鋼絞線分布密集，梁高較低且底板厚度小，是施工的薄弱點(diǎn)[1-4]，研究預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁合龍段受力特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)影響具有重要的意義。 近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究，主要有：孟磊[5]通過建立有限元橋梁模型，對(duì)不同合龍方案下的主梁應(yīng)力、撓度變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果可為橋梁的合龍?jiān)O(shè)計(jì)提供參考。 邱豪俠等[6]通過對(duì)橋梁建設(shè)全過程模擬，研究了拆橋施工橋跨結(jié)構(gòu)的受力特性，并建議施工過程中要注意檢查并及時(shí)加固梁墩的臨時(shí)支撐。 趙永鵬[7]和歐從慶[8]以連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，研究了混凝土連續(xù)梁橋的施工工藝，提出了施工關(guān)鍵控制方案。 本文以某混凝土箱梁合龍段為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)箱梁施工過程中的底板受力和變形進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析了箱梁自重、縱向預(yù)應(yīng)力和張拉時(shí)機(jī)等因素對(duì)箱梁底板橫向受力的影響，以期為箱梁底板加固提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高速公路起止樁號(hào)為K155+638～K162+881，全長(zhǎng)7.243 km，由大橋、互通匝道和路基組成。 互通匝道為混凝土箱梁，設(shè)計(jì)速度為60 km/h。該區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）、第四系更新統(tǒng)白沙井組（Q2b）。 現(xiàn)澆箱梁采用單箱形截面，鋼管樁支架施工；箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面為：頂板寬12000 mm，底板寬6000 m，頂板懸臂長(zhǎng)2500 mm，箱梁梁高為2600 mm，跨中段底板厚240 mm，頂板厚260 mm，腹板厚450 mm；箱梁在支座處設(shè)置橫隔梁， 墩頂橫隔梁厚2200 mm，端橫隔梁厚1500 mm。 通過設(shè)置楔形塊，采用頂?shù)装迤叫?，整體傾斜達(dá)到2%橫坡的目的。 箱梁采用縱向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力束一次張拉完成。 鋼絞線采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860 MPa 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。 由于合龍段鋼絞線分布密集，梁高較低且底板厚度小，加上橋梁跨中為薄弱點(diǎn)，因此，本次選擇箱梁跨中合龍段及左右相鄰段組成3 個(gè)節(jié)段進(jìn)行建模，箱梁長(zhǎng)度為32 m。

2 模型建立

2.1 建立模型

如圖1 所示，采用ANSYS 軟件進(jìn)行建模分析，選擇箱梁跨中合龍段及左右相鄰段組成3 個(gè)節(jié)段進(jìn)行建模， 箱梁長(zhǎng)度為32 m，x 軸、y 軸方向分別為箱梁截面橫向和截面高度方向，規(guī)定以向上、向右為正方向，反之為負(fù)。 z 軸為箱梁走向方向，規(guī)定從邊跨到跨中為正方向。 模型建立過程中，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用link8 桿單元模擬，混凝土采用solid65 單元建立，預(yù)應(yīng)力張拉控制值為1860 MPa，模型中共有32018 個(gè)節(jié)點(diǎn)，共27846 個(gè)單元。表1 為混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋力學(xué)參數(shù)。

圖1 數(shù)值模型圖

表1 模型材料參數(shù)

2.2 計(jì)算方式

采用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，其流程主要包括3 層， 即從設(shè)計(jì)變量到狀態(tài)變量，最后到目標(biāo)函數(shù)，具體如圖2 所示。

圖2 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程示意圖

3 模型分析

3.1 箱梁底板受力及變形分析

圖3 為合龍段箱梁底板整體豎向應(yīng)力云圖，由圖可知， 箱梁截面腹板內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)處于受拉狀態(tài)，腹板外側(cè)底板附近處結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)，由于最大拉壓應(yīng)力分別位于腹板內(nèi)外兩側(cè)，因此，在上部長(zhǎng)期交通荷載的作用下， 該位置處容易出現(xiàn)開裂破壞。圖4 給出了合龍段截面豎向應(yīng)力云圖， 由圖可知，最大拉應(yīng)力值為1.60 MPa，位于腹板內(nèi)側(cè)靠近底板處；最大壓應(yīng)力值為0.96 MPa，位于腹板外側(cè)靠近底板處， 最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)位置即為鋼束位置附近，在長(zhǎng)期荷載的作用下，如果該位置處箍筋設(shè)置不足將會(huì)導(dǎo)致底板出現(xiàn)開裂破壞現(xiàn)象。

圖3 合龍段箱梁底板整體豎向應(yīng)力云圖

圖4 合龍段截面豎向應(yīng)力云圖

圖5 為底板中線沿箱梁縱向橫向應(yīng)力變化曲線，由圖可知，箱梁底板中線位置處底板橫向拉應(yīng)力值最大， 從中線向兩側(cè)底板橫向拉應(yīng)力逐漸減小，因此，在底板位置處容易出現(xiàn)開裂破壞現(xiàn)象。

圖5 底板中線沿箱梁縱向橫向應(yīng)力變化曲線

圖6 為合龍段跨中截面豎向位移云圖，由圖可知，箱梁底板中心處發(fā)生位移下沉，最大沉降值為2.72 mm。

圖6 合龍段跨中截面豎向位移云圖

綜上可知，由于箱梁跨中底板厚度小以及跨中底板布設(shè)的預(yù)應(yīng)力鋼筋較多等原因，箱梁合龍段底板處拉應(yīng)力和變形較大，是箱梁的薄弱位置，在外界長(zhǎng)期荷載作用下易產(chǎn)生縱向裂縫破壞。

3.2 箱梁底板橫向受力影響因素分析

為了研究分析影響箱梁縱向裂縫的因素，考慮從改變箱梁自重、縱向預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)機(jī)等3 個(gè)重要因素出發(fā)， 對(duì)箱梁底板橫向受力的影響因素進(jìn)行分析。

圖7 給出了梁體自重變化對(duì)箱梁底板橫向應(yīng)力影響曲線，分別取梁體自重為1 倍、1.1 倍和1.2倍自重進(jìn)行研究分析。 由圖可知，不同箱梁自重下箱梁底板橫向應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，即箱梁自重會(huì)引起箱梁底板中線處產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，且橫向拉應(yīng)力由兩側(cè)節(jié)段向合龍段逐漸增大。 隨著箱梁自重的增大，箱梁底板橫向應(yīng)力隨著增大，梁體自重取1 倍、1.1 倍和1.2 倍時(shí)對(duì)應(yīng)的底板最大橫向應(yīng)力值分別為0.62 MPa、0.69 MPa 和0.77 MPa， 相比于梁體自重取1 倍時(shí)， 梁體自重取1.1 倍和1.2 倍時(shí)對(duì)應(yīng)的底板最大橫向拉應(yīng)力值分別增大了11.3%和24.2%， 說明箱梁自重的增加會(huì)導(dǎo)致箱梁底板最大拉應(yīng)力大幅增大，從而增大箱梁底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 梁體自重變化對(duì)箱梁底板橫向應(yīng)力影響曲線

圖8 給出了箱梁底板縱向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)底板橫向應(yīng)力影響曲線，分別取箱梁底板縱向預(yù)應(yīng)力為1 倍、0.95 倍、0.90 倍和0.85 倍預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行研究分析。 由圖可知，不同縱向預(yù)應(yīng)力值下均會(huì)引起箱梁底板中線附近處產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，其中距離底板邊緣左右兩側(cè)1 m 處底板橫向應(yīng)力最大，由合龍段向兩側(cè)節(jié)段橫向拉應(yīng)力逐漸減小，同時(shí)壓應(yīng)力增大。箱梁底板縱向預(yù)應(yīng)力為1 倍、0.95 倍、0.90倍和0.85 倍時(shí)對(duì)應(yīng)的底板最大橫向應(yīng)力值分別為3.32 MPa、3.01 MPa、2.67 MPa 和2.46 MPa，相比于底板縱向預(yù)應(yīng)力為1 倍時(shí)，箱梁底板縱向預(yù)應(yīng)力取0.95 倍、0.90 倍和0.85 倍時(shí)對(duì)應(yīng)的底板最大橫向拉應(yīng)力值分別減小了9.3%、19.6%和25.9%，說明通過減小底板縱向預(yù)應(yīng)力值可以有效減小箱梁底板拉應(yīng)力值，從而降低箱梁底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 箱梁底板縱向預(yù)應(yīng)力變化對(duì)底板橫向應(yīng)力影響曲線

根據(jù)GB50010－2019《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，澆筑后的混凝土在養(yǎng)護(hù)28 d 左右時(shí)達(dá)到最大強(qiáng)度。 為了探究箱梁不同混凝土張拉齡期對(duì)底板橫向應(yīng)力的影響， 取箱梁混凝土張拉齡期為3 d、5 d、7 d、14 d 和28 d 進(jìn)行分析，如圖9 所示。由圖可知，隨著混凝土張拉齡期的增大，箱梁底板橫向應(yīng)力增大。為了更好地分析齡期對(duì)箱梁底板應(yīng)力影響，圖10給出了箱梁跨中截面底板橫向應(yīng)力變化曲線圖，由圖可知，齡期為3 d、5 d、7 d、14 d 和28 d 對(duì)應(yīng)的底板最大橫向應(yīng)力值分別為2.46 MPa、2.52 MPa、2.57 MPa、2.61 MPa 和2.65 MPa，相比于齡期取3 d時(shí)，齡期取5 d、7 d、14 d 和28 d 時(shí)對(duì)應(yīng)的底板最大橫向拉應(yīng)力值分別增大了2.4%、4.5%、6.1%和7.7%，即在齡期7 d 后（此時(shí)混凝土強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)28 d 強(qiáng)度的90%）進(jìn)行合龍束張拉，底板最大橫向拉應(yīng)力增長(zhǎng)率變得緩慢。 考慮到齡期太短時(shí)混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，建議在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)28 d 強(qiáng)度的90%，即在齡期7 d 左右時(shí)進(jìn)行張拉施工，從而實(shí)現(xiàn)在保證施工安全的前提下降低底板應(yīng)力。

圖9 底板預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)機(jī)對(duì)底板橫向應(yīng)力影響曲線

圖10 跨中截面底板橫向應(yīng)力隨齡期變化曲線

4 結(jié)論

以某混凝土箱梁合龍段為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)箱梁施工過程中的底板受力和變形進(jìn)行分析，重點(diǎn)探究了箱梁自重、縱向預(yù)應(yīng)力和張拉時(shí)機(jī)等因素對(duì)箱梁底板橫向受力的影響，得到以下結(jié)論：（1）箱梁跨中底板厚度小，跨中底板布設(shè)的預(yù)應(yīng)力鋼筋較多，導(dǎo)致箱梁合龍段底板處拉應(yīng)力和變形較大，此為箱梁的薄弱位置，在外界長(zhǎng)期荷載作用下易產(chǎn)生縱向裂縫破壞；（2）梁體自重增大為1.1 倍和1.2 倍時(shí)對(duì)應(yīng)的底板最大橫向拉應(yīng)力值分別增大了10.9%和23.4%， 說明箱梁自重的增加會(huì)導(dǎo)致箱梁底板最大拉應(yīng)力大幅增大，從而增大箱梁底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)；（3）不同縱向預(yù)應(yīng)力值下距離底板邊緣左右兩側(cè)1 m 處底板橫向應(yīng)力最大，在一定條件下通過降低底板縱向預(yù)應(yīng)力值可以有效減小箱梁底板拉應(yīng)力值， 從而降低箱梁底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)；（4）在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)28 d 強(qiáng)度的90%，即在齡期7 d 左右時(shí)進(jìn)行張拉施工，可以實(shí)現(xiàn)在保證施工安全的前提下降低底板應(yīng)力。