刚构连续梁桥试验模型施工期预应力空间效应分析

梁 美 刘学瑞

(郑州工业应用技术学院，河南 新郑 451150)



刚构连续梁桥试验模型施工期预应力空间效应分析

梁 美 刘学瑞

(郑州工业应用技术学院，河南 新郑 451150)

以东营黄河公路大桥为背景，采用有限元对大型复杂桥梁进行施工前的模拟分析，研究了该桥在模型制作过程中，预应力钢束张拉时纵向和0号块暂态结构的空间力学行为，研究表明：一次性全部张拉时，结构受力最好；先张拉跨中预应力钢束时，结构刚度较好；张拉全桥纵向预应力钢束时，各控制截面箱梁断面关键点应力分布较好。

大跨度，连续梁，预应力，空间效应

预应力混凝土刚构连续梁桥是部分墩梁固结的连续结构，利用小刚度墩的柔度来适应结构由预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所产生的位移；其保持了连续梁的各种优点，比如：外形美观、结构尺寸小、桥下净空大、桥面行车平顺等；而且由于其墩梁固结可以节省大型支座的昂贵费用，减少墩及基础的工程量，并改善了结构在水平荷载作用下的受力性能。预应力混凝土箱梁技术的使用大大改善了此类桥的受力性能以及增强了其跨越能力，然而也使其受力状况更加复杂且空间效应明显增加。针对这一问题，概括近年来研究成果主要集中在下列方面：1)施工期预应力箱梁关键截面应力随预应力张拉的变化及分布情况[1，4]；2)预应力钢束不同张拉顺序方案的优化[2]；3)预应力张拉过程中混凝土裂缝的监测及控制[3，4]。在研究手段方面，主要采用有限元模拟，模型试验，实桥监测等，其中模型试验主要针对单个构件等简单结构进行研究；对于大型复杂桥梁结构，施工前主要通过有限元进行预期分析来指导施工，施工中通过实桥监测来验证和修正有限元分析的结果。

可见，针对大型复杂桥梁的模型试验来研究预应力的空间效应具有更好的实用价值，然而由于问题的复杂性，这方面几乎无人问津。本文对该桥在模型制作过程中预应力钢束张拉时纵向和0号块暂态结构的空间力学行为进行了理论研究。

1 东营黄河公路大桥基本资料

东营黄河公路大桥的主桥为一联(116+200+220+220+200+116)m预应力混凝土刚构—连续组合梁，采用上下行分离的两幅桥。单幅桥面净宽26.0 m,设计荷载为汽车—超20级，验算荷载为挂车—120，单幅桥箱梁采用单箱单室，梁底曲线线型为1.6次抛物线，箱梁采用三向预应力结构，采用悬臂浇筑施工；桥梁下部基础采用钻孔灌注桩基础，墩身为钢筋混凝土双薄壁矩形截面，其中，7号，8号，11号，12号墩横桥向各设置两个抗震型单向活动支座，9号，10号墩与箱梁固结。

该桥模型试验欲采用混凝土来做，考虑到时间等因素，模型的制作欲采用满堂支架施工，此时，预应力钢束在桥梁纵向和横向应怎样张拉才能保证分批张拉过程中混凝土不出现裂缝以及哪种张拉工况下混凝土受力性能更好就成为关键问题，为了在模型制作前找到最佳的张拉方案，本文借助有限元来模拟分析预应力钢束的不同张拉程序对该桥的空间力学行为进行研究。

2 桥梁有限元计算模型

采用大型通用有限元程序MIDAS/Civil对该桥进行有限元计算。根据该桥特点，箱梁采用变截面三维空间梁单元模拟，桥墩采用等截面三维空间梁单元模拟，根据设计图纸建立桥梁的有限元计算初步模型，然后根据实测该桥的自振频率对该初步模型进行模型修正，最后得到与实桥动力特性相似的较精确的有限元计算模型，全桥共划分273个空间梁单元，286个节点，其空间有限元计算模型如图1所示。

3 有限元计算及结果分析

3.1 纵向张拉预应力钢束时各工况的确定

根据后张法预应力混凝土的设计和施工经验，对此构件应采用两端同时张拉。为了便于比较分析，考虑到桥梁及张拉顺序的对称性，以下各工况均以7号墩墩顶，7号、8号墩墩间梁跨中，8号墩墩顶，8号、9号墩墩间梁跨中，9号墩墩顶，9号、10号墩墩间梁跨中为控制截面，各控制截面分别对应截面编号为：截面1～截面6。纵向预应力钢束张拉工况分类见表1。

表1 纵向预应力钢束张拉工况分类表

3.2 纵向张拉预应力钢束时暂态结构的力学行为

纵向预应力钢束张拉时，各控制截面的应力见表2，图2，图3。

从图2可以看出：截面2情况下，工况3所受最大应力为最大，工况2所受最大应力为最小；在截面1，3和4时，各工况变化趋势基本一致；在截面6时，工况2所受最大应力为最大，工况1所受最大应力为最小。从图3可以看出：各工况所受最小应力变化趋势接近。工况2在截面2，4和6时，较其他工况应力大。采用工况1，即一次性全部张拉时，结构受力最好。

表2 各工况控制截面应力 MPa

表3 各工况控制截面竖向位移 mm

纵向预应力钢束张拉时，各控制截面的竖向位移见表3，图4。从表3和图4得知：先张拉跨中预应力钢束时，结构刚度较好。

张拉全桥底板和腹板预应力钢束时各控制截面箱梁断面关键点应力见表4。

表4 张拉全桥底板和腹板预应力钢束时各控制截面箱梁断面关键点应力 MPa

4 结语

1)一次性全部张拉时，结构受力最好；2)先张拉跨中预应力钢束时，结构刚度较好；3)张拉全桥纵向预应力钢束时各控制截面箱梁断面关键点应力分布较好。

[1] 宁贵霞，蔺鹏臻，赵延龙，等.双线铁路箱梁施工阶段跨中截面应力的有限元分析[J].铁道学报，2006，28(2)：122-126.

[2] 田英辉，赵 瑜，闫澍旺，等.基于ANSYS的预应力筋张拉顺序数值模拟及优化[J].东南大学学报(自然科学版),2005(35)：124-128.

[3] 赵启林，周旺进，姜克斌.预应力混凝土箱梁桥施工中的裂缝成因分析与修补[J].公路交通科技，2006，23(6)：85-88.

[4] 余报楚，张 哲，张洪金.金马大桥主梁横隔梁受力分析与预应力施工技术[J].公路交通科技，2006，23(1)：82-85.

Analysis on pre-stressed spatial effect in construction period of concrete continuous beam bridge test model

Liang Mei Liu Xuerui

(Zhengzhou Industry Applied Technology Institute, Xinzheng 451150, China)

Taking the Yellow River highway bridge in Dongying as the background, using the finite element made simulation analysis on large complex bridge before construction, researched the space mechanical behavior of longitudinal and block 0 transient structure of pre-stressed steels tension in bridge modeling process, the research showed that: in one-time full tension, the structure had best force, in pre-tensioned span pre-stressed steel beam, the structure had better stiffness, in full bridge longitudinal pre-stressed steel beam, the section key point stress of each section box girder control points had better distribution.

large span, continuous beam, pre-stress, space effect

1009-6825(2016)30-0183-03

2016-08-15

梁 美(1984- )，男，硕士，讲师，工程师

U448.23

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