模架与箱梁耦合效应对现浇梁有效应力影响研究

朱洪泉，张文学，张 雷

(1.山西省交通厅长平高速公路建设管理处，山西太原030012;2.北京工业大学建筑工程学院，北京100124)

1 工程概况

微子立交桥位于山西省长治市邯长铁路微子镇站内，主桥跨度为(72+120+72)m连续梁，主桥在13号和14号墩之间跨越既有邯长铁路和远期规划铁路，采用支架现浇、单侧(13号墩)平面转体施工方法。由于该项目工期非常紧，所以转体侧箱梁采取长节段支架现浇施工方案。这致使在预应力张拉时底模支架未撤除，则现浇梁与底模支架紧密接触形成了摩阻力，阻碍了梁体一部分水平自由变形，模架与结构之间的耦合效应必然对预应力张拉后箱梁的有效预应力状态产生影响。而目前关于这方面的研究还很少，此方面研究的文献报道也少见，为此非常有必要对此展开进一步研究，以便为类似工程提供参考。

2 现浇梁与模架之间耦合效应假定及建模

2.1 耦合效应假定

(1)模板与现浇梁的切向粘结力。根据路桥施工计算手册，C50混凝土与模板的切向粘结力为:对于钢模板，涂废机油时平均值为15.1 kPa，最大值为27.5 kPa;涂隔离剂时平均值为5.9 kPa，最大值为18.0 kPa。对于木模板，涂废机油时平均值为17.6 kPa，最大值为29.7 kPa;涂隔离剂时平均值为8.2 kPa，最大值为24.2 kPa。

(2)现浇梁与底模支架摩阻系数取值。根据相关文献可知现浇梁与支座的摩阻系数介于0.03～0.3之间，而现浇梁与底模支架的摩阻系数要比支座与混凝土之间的摩阻系数大。为便于分析和对比，分析时分别取现浇梁与底模支架摩阻系数为0.03、0.1、0.3、1.0，然后分别计算在以上四个摩阻系数下最大箱梁悬臂状态转体段的应力。

2.2 分析模型

本分析采用有限元软件Midas Civil 2010模型，主桥连续预应力箱梁共分为134个单元，桥墩分为14个单元，如图1所示。单元划分为:桥面系主梁单元编号顺序从左至右依次为1～134，桥墩单元编号顺序从墩顶至墩底，墩顺序从左墩到右墩;主梁和主墩均采用C50混凝土;混凝土材料力学性能按规范取值，容重取26.0 kN/m;预应力钢束计算参数为，弹性模量1.95×105MPa，标准强度1 860 MPa，设计强度1 260 MPa，张拉控制应力1 395 MPa;采用预埋波纹管成型，锚具变形及钢束回缩每端按6 mm计。

计算模型采用依托工程实际施工的分段情况，分三段浇筑混凝土，每一节段施工部分为支架现浇混凝土、张拉本节段预应力、本节段预应力管道灌浆、拆除本节段支架4个施工阶段(图1)。

图1 Midas有限元模型

3 对现浇箱梁有效应力的影响

为表述方便现做如下规定:①自重应力:不考虑现浇梁与底模支架之间的摩阻力的情况下，箱梁最大悬臂状态单独由自重引起的应力。②预应力:不考虑现浇梁与底模支架之间的摩阻力的情况下，箱梁最大悬臂状态单独由预应力筋引起的应力。③无摩阻:不考虑现浇梁与底模支架之间的摩阻力的情况下，同时考虑自重和预应力效应时箱梁的应力。④底模切向粘结:在张拉预应力只时考虑梁体底模切向粘结力，落架后底模切向粘结力去掉，同时考虑自重和预应力效应时箱梁的应力。⑤底腹模切向粘结:在张拉预应力时考虑梁体的底模和外侧腹模切向粘结力，落架后底模和外侧腹模切向粘结力去掉，同时考虑自重和预应力效应时箱梁的应力。⑥全外侧模切向粘结:在张拉预应力时考虑梁体的底模、外侧腹模和翼缘模板切向粘结力，落架后切向粘结力去掉，同时考虑自重和预应力效应时箱梁的应力。⑦μ=0.03、μ=0.1、μ=0.3和μ=1.0:在计算模型中考虑现浇梁与底模支架的摩阻系数为分别为0.03、0.1、0.3和1.0，落架后底模摩擦力去掉，同时考虑自重和预应力效应时箱梁的应力。

考虑不同模板约束时张拉预应力后箱梁最大悬臂状态时各单元上下缘应力对比，如图2所示。现浇梁与底模支架之间不同摩阻系数情况下箱梁最大悬臂状态时各单元上下缘应力对比，如图3所示。由此可知:

(1)采取支架现浇预应力混凝土箱梁施工时，模板与混凝土之间的耦合效应对箱梁有效预应力效应有较大的影响。

(2)在张拉时考虑底模切向粘结力与不考虑底模切向粘结力相比，主梁上缘压应力小1.02 MPa，占理论应力值的17.22%;下缘压应力大1.30 MPa，占理论应力值的29.96%。

(3)考虑底模、外侧腹模切向粘结力与不考虑模板切向粘结力相比，主梁上缘压应力小1.56 MPa，占理论应力值的26.38%;下缘压应力大2.03 MPa，占理论应力值的41.97%。

(4)考虑全外模切向粘结力与不考虑模板切向粘结力相比，主梁上缘压应力小1.99 MPa，占理论应力值的33.69%;下缘压应力大2.61 MPa，占理论应力值的53.89%。

(5)取混凝土与底模支架的摩阻系数为0.03与不考虑摩阻系数相比，主梁上缘压应力小0.08 MPa，占理论应力值的1.29%;下缘压应力大0.05 MPa，占理论应力值的1.04%。

(6)当混凝土与底模之间阻系数取为0.1与不考虑摩阻系数相比，主梁上缘压应力小0.17 MPa，占理论应力值的2.61%;下缘压应力大0.16 MPa，占理论应力值的3.51%。

(7)当混凝土与底模之间阻系数取为0.3与不考虑摩阻系数相比，主梁上缘压应力小0.42 MPa，占理论应力值的6.47%;下缘压应力大0.48 MPa，占理论应力值的10.54%。

(8)当混凝土与底模之间摩阻系数取为1.0与不考虑摩阻系数相比，主梁上缘压应力小1.38 MPa，占理论应力值的22.31%;下缘压应力大 1.76 MPa，占理论应力值的34.86%。

图2 考虑不同模板与混凝土间约束情况各单元应力对比图

图3 模板混凝土之间不同摩擦系数时各单元应力对比图

4 结论

通过以上分析可知:模架与结构之间的耦合效应对箱梁有效预应力有很大的影响，可以降低预应力混凝土连续箱梁实际有效预应力20%以上。因此，在采取支架法就地现浇预应力混凝土箱梁施工张拉预应力筋时必须考虑模板对混凝土约束影响，尽量放松所有模板约束，使其与混凝土脱离，同时降低箱梁与底模支架的摩擦系数，最大限度地减小模架与结构耦合效应的不利影响。

［1］JTJ041－2002公路桥涵施工技术规范［S］

［2］JTJD62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］