預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉方式對剛構(gòu)橋主梁變形的影響分析

預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉方式對剛構(gòu)橋主梁變形的影響分析

0預(yù)應(yīng)力損失研究由于抗彎、剪切、扭轉(zhuǎn)性能的增強(qiáng)，現(xiàn)柱箱梁被廣泛應(yīng)用于對結(jié)構(gòu)抗彎性能要求較高的小半徑曲線橋上。為了減少預(yù)測損失，提高有效預(yù)測量，通常設(shè)置多個(gè)孔和軌道，以區(qū)分預(yù)測員的工作量。然而,隨著施工縫的增多,除增設(shè)連接器需增加工程成本外,因需增加工序,施工工期會延長。為在保證結(jié)構(gòu)受力合理前提下,同時(shí)節(jié)約工程成本、縮短工期,研究不同張拉方式下主梁受力狀況具有一定的理論意義和現(xiàn)實(shí)需求。對于后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件來說,預(yù)應(yīng)力損失包括5項(xiàng)損失。國內(nèi)眾多學(xué)者對比開展了相關(guān)研究工作。程壽山等以連續(xù)梁為研究對象,對預(yù)應(yīng)力損失影響因素和預(yù)應(yīng)力損失評估方法進(jìn)行了分析,提出以變形為主要指標(biāo)計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失,并結(jié)合實(shí)橋測試加以驗(yàn)證,指出底板預(yù)應(yīng)力有20%～30%的損失,頂板預(yù)應(yīng)力有40%～50%的損失,但未與規(guī)范方法進(jìn)行比較分析;Barr、朱琛、王存江指出預(yù)應(yīng)力鋼筋的損失與混凝土的強(qiáng)度有關(guān),強(qiáng)度越大損失越大;李準(zhǔn)華等通過對中美幾種規(guī)范計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失值分析,指出預(yù)應(yīng)力鋼筋的損失估計(jì)偏小將會導(dǎo)致橋梁內(nèi)力和撓度計(jì)算的較大失真;沈成武等通過工程實(shí)例,采用遺傳算法,研究了設(shè)計(jì)規(guī)范的預(yù)應(yīng)力損失以外的附加損失;胡狄、袁倫一、邵旭東等分析了預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固損失的算法,并與規(guī)范算法進(jìn)行了比較;丁南宏等結(jié)合荷載橫向分布系數(shù)概念,得到豎平面內(nèi)分批張拉損失空間簡化計(jì)算公式。相關(guān)文獻(xiàn)中,關(guān)于順橋向分段張拉對損失的影響尚未見研究,鑒于預(yù)應(yīng)力鋼筋損失的影響因素比較多,本文根據(jù)現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范,結(jié)合從莞高速東莞段某匝道橋第1聯(lián)3×20m的具體施工情況,保持預(yù)應(yīng)力線形和張拉控制應(yīng)力不變,僅改變預(yù)應(yīng)力張拉方式,分析其對施工階段主梁應(yīng)力、成橋狀態(tài)位移、應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失的影響,指出縮小與原設(shè)計(jì)的有效預(yù)應(yīng)力差值的方法,為同類橋梁的設(shè)計(jì)、施工制訂科學(xué)合理張拉方式提供借鑒和參考。1橋梁結(jié)構(gòu)分析與建模1.1下部結(jié)構(gòu)橋臺匝道橋全長490m,共分為5聯(lián):3×20+4×20+(25+2×40+25)+5×20+6×20m,橋?qū)挾?0.5m。上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,梁高1.4m,采用C50混凝土,7束?15.20的預(yù)應(yīng)力鋼筋,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa,張拉控制應(yīng)力為0.72fpk=1339.2MPa;下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺身,橋墩為柱式墩,基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)。第1聯(lián)平面位于緩和段為110m的左偏緩和曲線段上,縱面為3.594%,橋面橫坡通過支座不同標(biāo)高來實(shí)現(xiàn),第1聯(lián)縱、橫立面見圖1。第1聯(lián)預(yù)應(yīng)力鋼束布置采用通長布置,編號為N1-1～3、N2-1～3、N3-1～3,同截面預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉順序?yàn)镹2→N1→N3,鋼束截面布置見圖2。1.2施工縫處設(shè)備布置本橋采用滿堂支架現(xiàn)場澆注施工。原設(shè)計(jì)圖紙采用沿3#墩→0#臺逐跨單端張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋方案(以下稱“方案1”),共布置了2道施工縫,施工縫1位于中跨距2#墩5m處,施工縫2位于左邊跨距1號墩5m處,通過連接器使預(yù)應(yīng)力鋼筋整體受力,每道施工縫處布置了9個(gè)連接器。因本橋跨徑不大,施工難度小,施工工期要求緊迫,因單聯(lián)總長度超過50m,3跨整體單端張拉過長,結(jié)合結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)和施工實(shí)際情況,將所有可行的方案,即先單跨后兩跨單端張拉方案(以下稱“方案2”)和3跨兩端張拉(以下稱“方案3”)作為比選方案,通過對主梁變形、應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力分析,確定科學(xué)合理的施工張拉方案。1.3預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算根據(jù)橋梁平彎、縱坡、材料、施工方案及結(jié)構(gòu)實(shí)際受力,采用MidasCivil分別建立了3種方案空間有限元分析模型。為突出主要矛盾,未考慮下部結(jié)構(gòu)的影響,采用相同的預(yù)應(yīng)力鋼筋線形,施工縫斷面預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉順序保持一致,主梁采用梁單元來模擬,滿堂支架采用只受壓彈簧模擬。模型共計(jì)268個(gè)節(jié)點(diǎn),125個(gè)單元,2種材料屬性,混凝土的強(qiáng)度發(fā)展按1990年歐洲混凝土規(guī)范(CEB-FIP)計(jì)算。邊界條件為主梁與支座上節(jié)點(diǎn)為主從約束,橋梁支座用等代彈簧模擬,支座下節(jié)點(diǎn)采用一般剛性約束。成橋的三維有限元模型見圖3。預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參數(shù)如下:(1)因設(shè)計(jì)圖紙采用塑料波紋管,管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)取0.0015,預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道的摩擦系數(shù)取0.15;(2)張拉端的錨固變形按6mm計(jì)算;(3)混凝土的彈性壓縮損失指由后批張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋或其他作用導(dǎo)致混凝土彈性變形所引起的預(yù)應(yīng)力損失;(4)預(yù)應(yīng)力鋼筋采用低松弛鋼筋,松弛系數(shù)取0.3;(5)混凝土收縮和徐變按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算。施工過程對預(yù)應(yīng)力損失的影響也非常大,根據(jù)各方案的特點(diǎn),施工階段模擬見表1～表3。2橋梁預(yù)測拉張法的影響分析2.1主梁變形最值的位置在不同預(yù)應(yīng)力張拉方式下,主梁成橋階段變形會產(chǎn)生一定的影響,各方案主梁成橋階段變形最值及對應(yīng)的位置見表4。由表4可知,與方案1相比,方案2主梁變形最值的位置相同,變形量均有所減少,最大減少百分比為10%,最大減少變形量為0.6mm;方案3變形最值的位置不同,且變形量減少較多,最大減少百分比為76%,最大減少變形量為6.6mm。2.2拉應(yīng)力的影響不同預(yù)應(yīng)力張拉方式下,主梁施工階段最大拉應(yīng)力及成橋階段頂、底面應(yīng)力最值及位置見表5。由表5可知,在各施工階段主梁拉應(yīng)力最值出現(xiàn)在99節(jié)點(diǎn)處主梁頂面。從方案1到方案3,拉應(yīng)力逐漸減小,其中方案1、方案2拉應(yīng)力分別為2.05、1.84MPa,大于C50混凝土拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值1.83MPa,在施工過程中應(yīng)引起注意。在成橋階段,3種施工方案的箱梁頂、底面應(yīng)力極值發(fā)生位置比較接近,除方案3主梁頂面在67節(jié)點(diǎn)處主梁頂面存在最大拉應(yīng)力0.17MPa外,方案1、方案2主梁頂、底面均處于受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力為11.22MPa,遠(yuǎn)小于C50混凝土壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值22.4MPa。2.3施工縫和鋼束逆差值在不同預(yù)應(yīng)力張拉方式下,主梁各預(yù)應(yīng)力鋼筋在成橋階段的有效預(yù)應(yīng)力值將發(fā)生變化,同編號的預(yù)應(yīng)力鋼筋有效預(yù)應(yīng)力圖形相近,僅以中腹板位置N1-2、N2-2、N3-2為例,各預(yù)應(yīng)力鋼筋有效預(yù)應(yīng)力見圖4。由圖4可知,不同方案下鋼束有效預(yù)應(yīng)力值及分布差異很大。對于方案1,鋼束有效預(yù)應(yīng)力值在距橋臺側(cè)梁端14.96m(施工縫2)位置處和距橋臺側(cè)梁端34.96m(施工縫1)位置處出現(xiàn)突變,有效預(yù)應(yīng)力值極值均發(fā)生在施工縫處。因線形布置的影響,鋼束N1與鋼束N2、N3最小值的位置不同,N1發(fā)生在施工縫2處,而鋼束N2、N3發(fā)生在施工縫1處。對于方案2,鋼束有效預(yù)應(yīng)力最大值在施工縫2處,向兩側(cè)逐漸減小,在施工縫1處達(dá)到最小后逐漸增大,并在距橋臺側(cè)梁端48.75m處出現(xiàn)峰值,隨后穩(wěn)步減少至右側(cè)梁端。對于方案3,鋼束有效預(yù)應(yīng)力最大值在距橋臺側(cè)梁端15m位置處,最小值在中跨跨中附近處,其有效預(yù)應(yīng)力值沿中跨跨中截面呈對稱分布,因張拉端存在著錨具回縮變形等瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失,在張拉端附近的有效預(yù)應(yīng)力值均有所降低。方案2、方案3在中跨跨中截面附近處的有效預(yù)應(yīng)力均低于方案1,此處抗彎性能有所降低,在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)給予關(guān)注。不同張拉方案同截面處有效預(yù)應(yīng)力有一定影響,與方案1相比,不同施工方案下,各截面的有效預(yù)應(yīng)力變化百分比極值見表6。由表6可知,與方案1相比,有效預(yù)應(yīng)力值有增有減,且同方案下各鋼束發(fā)生增減極值的位置比較接近;方案2時(shí),鋼束N1、N2、N3有效預(yù)應(yīng)力變化百分比范圍分別為:-5.06%～9.26%、-4.75%～9.4%、-8.55%～5.99%;方案3時(shí),鋼束N1、N2、N3有效預(yù)應(yīng)力變化百分比范圍分別為:-4.66%～9.61%、-4.96%～8.56%、-3.5%～7.88%。若要減少與方案1有效預(yù)應(yīng)力的變化幅值,若按方案2施工時(shí),應(yīng)適當(dāng)降低鋼束N1、N2張拉控制應(yīng)力,并適當(dāng)增大鋼束N3張拉控制應(yīng)力;若按方案3施工時(shí),應(yīng)適當(dāng)減少所有鋼束張拉控制應(yīng)力。3張拉方式影響預(yù)應(yīng)力值根據(jù)某匝道橋的平彎、縱坡、材料及施工方案情況,建立了空間有限元模型,對不同張拉方式下影響進(jìn)行了分析,分析表明:(1)在成橋階段,方案1主梁變形值最大,方案3主梁變形值最小,變形量最大減少百分比為76%,最大減少值為6.6mm,但方案3在距橋臺側(cè)梁端31.71m處主梁頂面存在拉應(yīng)力最大值為0.17MPa;方案2主梁變形最值與方案1位置相同,而變形量均有所減少,最大減少百分比為10%,最大減少值為0.6mm;(2)在施工過程中,在距橋臺側(cè)梁端46.71m處主梁頂面均出現(xiàn)