简支转连续梁桥施工过程截面应力分析

2015-09-05贾艳敏郭东升陶永靖

铁道建筑 2015年7期

关键词：钢束简支梁桥

贾艳敏，郭东升，陶永靖

(1．东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;2．辽宁大通公路工程有限公司，辽宁沈阳 110100)

简支转连续梁桥施工过程截面应力分析

贾艳敏1，郭东升2，陶永靖1

(1．东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;2．辽宁大通公路工程有限公司，辽宁沈阳 110100)

以宝贝河大桥第三联为工程背景，实测简支转连续梁桥各施工阶段跨中及支点截面应变，并利用Midas/Civil有限元软件建立桥梁模型，按照现场施工工序模拟桥梁施工过程。结果显示:跨中截面在整个施工阶段受力合理，结构安全;唯在张拉负弯矩钢束前支点截面处于不利的受力状态，建议在设计及施工过程中对该位置加以关注。

简支转连续施工过程应力分析

先简支后连续的建桥方法兼顾了简支梁桥和连续梁桥的优点，其数量在我国混凝土梁桥中占相当大的比重。这种结构形式施工周期短而且不用满堂支架，从而减小施工对交通的影响，所以在许多桥梁中得以优先考虑［1-2］。连续梁在各种恒载及活载的作用下，其正弯矩区梁体下缘受拉、上缘受压，能够充分发挥钢筋和混凝土这两种材料各自的性能，而负弯矩区的受力正好与其相反，表现为上缘受拉而下缘受压，这就需要在T梁顶缘的翼板中布置预应力钢束，从而改善其受力性能［3-4］。跨中截面和支点截面分别为这两个区域内最具代表性的截面，因此了解这两个截面的应力状况，有助于分析桥梁整体受力。

本文以呼朔高速公路呼和浩特至杀虎口段和托连接线上K45+191处宝贝河大桥为依托，从简支架设主梁到施工成桥的各施工阶段，对跨中截面及支点截面进行应变实测，结合Midas/Civil有限元模型计算值对施工全过程中两截面应力进行分析。

1 工程概况

宝贝河大桥为三联10跨预应力混凝土连续T梁桥，试验取第三联(8，9，10三跨)的支点、跨中截面进行应变测量。桥梁跨径40 m，桥宽12.25 m，采用C50混凝土，标准抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线，先简支后连续方法施工。施工过程为:简支架设各跨主梁→浇筑中横梁→依次张拉负弯矩钢束→纵向湿接缝施工→体系转换(拆除临时支座)→施工防撞栏杆及桥面铺装。试验段总体布置见图1。

图1 第三联总体布置(单位:cm)

在主梁B-B及C-C截面如图2中1，2，3，4位置处埋置纵向混凝土应变计;在中支点A-A截面如图3中1，2，3位置处埋设应变计，并在桥梁施工各阶段对以上应变计进行跟踪测量，获取实测数据。

图2 跨中截面应变计测点布置(单位:cm)

图3 支点截面应变计测点布置(单位:cm)

2 Midas/Civil有限元模型建立

2.1 梁格法简介

计算模型采用梁格法建立，梁格法的基本思路就是用等刚度的梁格来代替上部结构［5］，要求当实际桥梁结构区段和对应的梁格作用相同荷载时两者的挠曲变形相等，并且梁格所受的弯矩、剪力、扭矩都可以代替实际结构对应区段内力。此方法对于一般桥梁的结构计算完全可以满足工程需求［6］。

2.2 模型建立

用梁格法对三跨简支转连续T形梁桥上部结构的施工过程进行模拟，为保证模型计算结果能够较准确地反应结构的实际受力，模型尺寸、材料、施工过程等都严格按照现场实际情况进行模拟。

模型主梁为空间梁单元，在墩顶部分适当地细化单元;为更好地模拟主梁之间的横向连接，翼缘板与主梁刚性连接且主梁横向除建立横隔板联系外还建立虚拟联系单元，湿接缝与主梁为铰接，于是该处单元在横向要释放梁端约束。结构承受自重、施工荷载、预应力荷载，边界条件用一般支承进行模拟。

3 计算结果与实测数据的比较和分析

3.1 计算值与实测值比较

通过有限元模型计算得出A-A，B-B，C-C截面内应变计位置在成桥状态下的应力值，并与现场实测数据进行对比分析，见表1、表2、表3。

表1 A-A截面应力对比

由以上表中的数据比较可知，A-A，B-B，C-C截面内应力有限元模型计算值与现场实测值吻合良好，误差最大值为8.89%。由此认为所建立的有限元模型正确合理，能够反应结构实际的受力状态，为本文的分析提供了可靠依据。

表2 B-B截面应力对比

表3 C-C截面应力对比

对比表中数据可以看出，成桥状态下跨中截面及支点截面均为受压状态，跨中截面压应力明显大于支点截面，且支点截面压应力上缘大下缘小，跨中截面上缘小下缘大。对比表2、表3数据可知，中跨及边跨的跨中截面应力均呈线性变化，结构受力安全，由于预应力钢束的影响，使边跨跨中截面(C-C)上缘应力大于中跨(B-B)，而下缘应力小于中跨。

支点截面应力大小由张拉负弯矩钢束产生的压力和未张拉时结构的拉力共同提供，负弯矩钢束的合理设计能够很好地限制支点截面拉应力的产生，进而避免桥面裂缝的出现［7］，由表中数据可知，A-A截面没有拉应力产生，所以该桥梁负弯矩预应力钢束设计合理。成桥状态下支点截面处于全截面受压状态，压应力在2.0～4.3 MPa之间，发挥了混凝土抗压性能好的优点。截面上缘压应力大，下缘压应力小，沿梁高呈线性变化，说明截面混凝土处于弹性受力状态。

3.2 施工过程应力分析

由有限元模型计算得出各施工阶段 A-A，B-B，C-C截面内不同高度位置处的应力值，分析截面内不同高度位置的应力在施工过程中的变化情况，图4为A-A截面内不同高度施工各阶段应力值。

图4 A-A截面应力值

图5 支点截面各阶段应力状态

由图4可以看出A-A截面在整个施工阶段以受压为主，在中横梁浇筑完成后，结构由各跨主梁简支状态转换为多次超静定状态，结构出现负弯矩区，由图中可知A-A截面应力全部为负值，截面承受的拉应力在0～1 MPa之间。张拉负弯矩钢束使得应力由拉应力变化为压应力，截面上缘压应力增长明显而下缘只有微小变化，使截面上缘储存了4 MPa左右的压应力，它为结构承受二期恒载以及成桥后活载提供了一定的压应力储备;这也正体现了后连续的意义［8］。湿接缝使各主梁在横向上连成一体，从而使受力更加均匀、合理，由于湿接缝的浇筑增大了结构自重，截面上缘压应力减小。体系转换过程拆除了临时支座，引起支点截面较大的应力变化，上缘压应力增加1.5 MPa左右。二期恒载在结构上施加了较大的均布荷载，使支点截面上缘压应力减小，下缘压应力增大，二期铺装完成后，支点截面全截面受压且上下缘压应力较为接近，在2.0～3.5 MPa之间。

综合各阶段应力状态可以看出，除在未张拉负弯矩钢束时支点截面存在拉应力(图5)外，其他阶段截面以受压为主，受力状态较合理，所以在负弯矩钢束全部张拉前，是支点截面的薄弱期，应该严格控制其上缘的拉应力，避免裂缝出现。

跨中截面同样以受压为主，在张拉负弯矩钢束完成后，截面上缘有出现拉应力的可能，但数值不大。在体系转换后，截面内压应力最大，但其值在混凝土抗压强度内。