预应力体系对简支变结构连续梁桥力学性能影响分析

张 花

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

引言

简支变结构连续梁桥由于其具有施工简便、受力性能良好、行车舒适性较高等优点而被广泛应用于高速公路工程中[1-3]，但现役简支变结构连续梁桥在运营阶段出现了诸如主梁梁底开裂[4]、主梁下挠、负弯矩区段混凝土开裂等病害，这些病害的出现往往都是由于施工偏差所造成的。针对简支变结构连续梁桥，国内外学者做了大量的研究工作，Hyo-Gyoung Kwak[5]分析了如何控制简支变结构连续梁桥由混凝土收缩导致支座处混凝土开裂的问题；陈立良[6]等人以巴漏河大桥为依托工程，研究了简支变结构连续梁桥在施工中容易遇到的问题并且给出相应的解决措施与对策。周建庭[7]针对简支变连续梁桥负弯矩区段容易出现裂缝，从而影响桥梁的整体受力性能的问题，提出相应的负弯矩构造改进措施。

1 工程概况

1.1 主要设计标准

（1）桥梁结构形式：4×30 m预应力混凝土T形梁桥（先简支后结构连续）；（2）设计荷载：公路一级；（3）桥梁半宽：0.5 m（混凝土护栏）+11.5 m（桥面宽度）+0.5 m（混凝土护栏）；（4）车道数：双向四车道；（5）设计洪水频率：1/100；（6）设计车速：80 km/h;（7）地震动峰值加速度系数：0.05 g。

1.2 桥梁相关参数

桥梁主要受力结构为纵向5片主梁，通过横隔板实现主梁的横向共同受力，主梁截面见图1，桥梁预应力张拉参数见表1，桥梁可变荷载见表2，桥梁永久荷载见表3。

图1 主梁截面

表1 预应力钢束建模参数

表2 可变荷载

表3 永久荷载

1.3 桥梁施工阶段的划分

全桥严格按照先简支后结构连续的方式施工。施工阶段：阶段一：桥梁下部结构施工；阶段二：临时支座的安装；阶段三：主梁吊装就位；阶段四：桥梁横隔板浇筑；阶段五：连续端湿接缝的浇筑；阶段六：更换临时支座为永久支座，完成结构体系的转换；阶段七：桥面二期铺装。

2 有限元模型的建立

2.1 分析参数的确定

主要考虑简支变结构连续区段预应力体系偏差对于桥梁结构响应的影响，预应力体系主要包括张拉控制力、管道偏差系数、局部偏差系数，各系数设计值见表4，取各参数偏小值为参数一，取各参数偏大值为参数二，各参数见表5。

表4 预应力体系参数设计值

表5 预应力体系敏感性分析参数值

2.2 建模结果

Midas Civil全桥有限元模型见图2。

图2 全桥有限元模型

3 计算结果对比分析

3.1 计算结果

计算各变量Midas Civil有限元模型得出其成桥位移、成桥梁顶应力、成桥梁底应力。由于计算结果显示正弯矩张拉控制力对于桥梁成桥状态结构响应影响较大，仅展示设计状态、1 116 MPa张拉控制力的位移云图、应力云图，计算结果见图3～图8。

图3 设计状态成桥位移

图4 1 116 MPa张拉控制力成桥位移

图5 设计状态梁顶应力

图6 1 116 MPa张拉控制力成桥位移

图7 设计状态梁底应力

图8 1 116 MPa张拉控制力成桥位移

由图3可知，设计状态成桥位移边跨最大位移值为22.356 mm，中跨最大位移值为18.104 mm，边跨最大位移值为中跨的123.48%。由图4可知，在1 116 MPa张拉控制力作用下边梁最大位移值为8.439 mm，中梁最大位移值为7.636 MPa，边梁最大位移值为中梁的110.5%。简支变结构连续梁桥在各种状态下均呈现边跨位移值大于中跨位移值的趋势，这是由于相对于中跨，边跨所受到的约束作用较小，因此预应力张拉后其上拱值更大。由图3～图4可知，无论是边跨还是中跨均有边梁位移值大于中梁位移值的现象，边跨大于中跨的原因是由于中间跨主梁受到两侧横隔板约束而边梁仅仅受到一侧横隔板约束，所以边梁的上拱值更大。由图5可知，设计状态下梁顶应力最大压应力值为29.15 MPa、最大拉应力值为-1.29 MPa。由图6可知，1 116 MPa张拉控制力作用下最大压应力值为29.436 MPa，最大拉应力值为-1.3 MPa。由图7可知，设计状态下梁顶应力最大压应力值为9.53 MPa、最大拉应力值为-0.3 MPa。由图8可知，1 116 MPa张拉控制力作用下最大压应力值为9.58 MPa，最大拉应力值为-0.319 MPa。

3.2 对比分析

提取张拉控制力、管道摩擦系数、局部偏差系数各变化参数中跨中梁计算结果与设计值模型差值见图9～图13。

由图9可以看出，当预应力张拉控制力偏大时主梁挠度相对设计值较大，当预应力张拉控制力偏小时，主梁挠度相对设计值偏小，当张拉控制力出现偏差时，主梁挠度变化值呈现边跨大中跨小的特点，变化挠度变化最值达到14 mm，中跨挠度变化值达到9 mm。由图10可以看出，当预应力张拉控制力偏小时，简支变结构连续梁桥跨中截面梁顶应力相对设计值偏小，梁端连续端截面梁顶应力相对于设计值偏大，当预应力张拉控制力偏大时，简支变结构连续梁桥跨中截面梁顶应力相对设计值偏大，梁端连续端截面梁顶应力相对于设计值偏小。由图11可以看出，预应力张拉控制力的偏差对于梁端几乎无影响，但是对于跨中截面来讲，当预应力张拉控制力偏小时，梁顶截面应力值偏大，当预应力张拉控制力偏大时，梁顶截面应力值偏小。由于管道摩擦系数与局部偏差系数对于主梁应力的影响均可忽略不计，故本文只列出管道摩擦系数对于挠度的影响以及局部偏差系数对于挠度的影响。由图12可知，管道摩擦系数对于梁端挠度几乎没有影响，对于跨中截面来说，当管道摩擦系数偏小时，挠度值相较于设计值偏大，当管道摩擦系数偏大时，主梁挠度值相对于设计值偏小，并且当管道摩擦系数出现偏差时，边跨与中跨挠度变化值为0.055 mm。由图13可知，当局部偏差系数偏小时，对于主梁梁端挠度几乎没有影响，对于跨中截面，主梁挠度变大且变化值达到0.09 mm，当局部偏差系数偏大时，主梁挠度相较于设计值几乎无变化。分析可以发现预应力张拉控制力对于主梁挠度、主梁应力影响远远大于管道摩擦系数以及局部偏差系数。本质上，这两项参数实际上是通过影响有效预应力大小决定简支变结构连续梁桥结构响应。

图9 预应力张拉控制力对位移影响

图10 预应力张拉控制力对梁顶应力影响

图11 预应力张拉控制力对梁底应力影响

图12 管道摩擦系数对挠度影响

图13 局部偏差系数对挠度影响

4 结语

（1）简支变结构连续梁桥在预应力荷载作用下主梁挠度呈现明显的“边跨大于中跨，边梁大于中梁”的趋势，设计状态下边跨最大位移值为中跨的123.48%，边梁最大位移值为中梁的110.5%。（2）当预应力体系参数在实际施工时发生相对于设计值的偏差时，预应力张拉控制力对于主梁挠度、梁顶应力、梁底应力的影响最大，对于挠度的影响最大可以达到14 mm，对于应力的影响最大可以达到7 MPa。（3）管道摩擦系数、局部偏差系数对于主梁应力的影响不大，对于主梁挠度的影响性也不如预应力张拉控制力，并且这两项参数本质上是通过影响有效预应力的大小影响桥梁结构响应。