PC箱梁顶推施工体外预应力加固优化研究

孙 波，蒋 鑫

（1.湖南交通国际经济工程合作有限公司，湖南 长沙 410005； 2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南长沙 410015）

0 引言

顶推施工法因其施工设备简单、施工机械化程度高、对周边环境干扰少等优点，在世界范围内被广泛运用。但由于施工过程中受力的特殊性，也使得它的应用受到很大的限制，同时也给设计带来很大的问题。在顶推过程中，每个断面都要周期性交替地经历跨中与墩顶的过程，因此各个断面既要承受正弯矩，还要承受负弯矩与剪力。对超静定结构、支座变位、温度变化等将使结构产生二次应力，这些临时应力又与运营状态时的应力有很大不同，因此混凝土PC箱梁在顶推过程中开裂现象十分严重，应引起重视。

本文以某带翼缘非对称PC箱梁为研究对象，计算分析其在顶推过程中主梁受力规律，并针对性地提出加固改造措施，类似经验可为同类型工程提供借鉴。

1 工程概况

本文依托工程为主跨 （40＋50＋40）m类双层带翼缘预应力混凝土连续箱梁。箱主梁采用双箱单室斜腹板截面。箱梁顶宽3.852～3.7 m（其中在与匝道相接处两侧各留60 cm后浇带），梁高3.8 m；箱梁顶悬臂板长分别为5.15、4 m，端部厚30、40 cm，根部厚65 cm；箱梁底板悬臂板长3.97 cm，端部厚18 cm，根部厚40 cm；箱梁顶、底板厚均为30 cm，腹板厚85 cm；在箱梁的支点处均设置了横梁，边支点横梁厚1.5 m，中支点横梁厚2.0 m。

主梁顶推施工实施单点顶推，顶推纵坡为0.3%，顶推启动装置安装在E4墩顶顶部。顶推施工前，在主墩E4后侧设置临时墩1～临时墩8，在主墩E3～E4墩中间设置临时墩9，在主墩E2～E3墩中间设置临时墩10～临时墩12，以缩短顶推跨径，各跨组合跨径为 （14.75＋8.5＋16＋8.75＋18＋12.25＋8＋10＋38＋12＋10＋10＋10）m。在施工过程中，本桥的临时墩既为主梁浇筑过程提供了支撑平台，又减少了主梁的顶推跨径，起到双重作用。具体流程如图1、图2所示。

图1 顶推过程示意图Figure 1 Schematic diagram of the push process

图2 落梁示意图Figure 2 Schematic diagram of the drop beam

2 有限元模型建立

因连续梁在顶推过程中，各截面弯矩值呈动态交替变化，且影响主梁内力因素较多，很难求得精确的解析解，故工程上多使用有限元软件对顶推过程进行模拟，获得其有限元近似解。

使用ANSYS建立该桥有限元模型，钢导梁部分的钢管连接部分采用beam3单元模拟，其余部分采用SHELL63单元模拟；主梁的混凝土部分采用SOLID65单元模拟，剪力墙部分采用SHELL63模拟，预应力钢束和预埋钢筋采用LINK10单元模拟，在钢导梁和主梁连接处，应用约束方程法将实体单元与壳单元的共用节点进行自由度耦合。网格划分采用六面体扫掠划分，全桥有限元模型共划分54 440个单元，70 700个节点，其中有50 908个实体单元，272个壳单元，8 680个梁单元，268个杆单元。SOLID65单元与LINK10单元通过共用节点来保证其共同受力；在有支撑反力的桥墩处，施加竖向约束和横向约束；在最后一个桥墩处施加水平约束，使结构保持为几何不变体系，采用工作平面切分体的方法准确模拟了预应力束的空间线型，预应力初拉力采用初应变法施加。

所有竖向支承（包括各永久墩和临时墩），均采用“一般约束”进行模拟，同时在主梁最前端施加水平约束DX（桥的纵向），采用“墩动梁不动”的方法模拟其顶推过程，有限元模型如图3所示。

图3 全桥及钢导梁有限元模型Figure 3 Finite element model of full bridge and steel guide beam

3 有限元计算结果

提取钢导梁及混凝土箱梁在顶推过程中变形及应力结果，结果如图4所示。

提取顶推时最大正弯矩工况下导梁及混凝土主梁应力结果，有限元应力云图如图5～图8所示。

计算结果表明：

a.钢导梁在顶推过程中，结构最大竖向下挠为46 mm，发生工况为导梁前端刚到临时墩9；导梁前端向上最大挠度为49.1 mm，发生工况为导梁最前端刚过临时墩10，在导梁最大正弯矩工况，其根部附近区域的Von mises等效应力约132 MPa，结构变形及强度能满足规范要求。

图4 钢导梁顶推过程中竖向变形曲线图 （单位：mm）Figure 4 Vertical deformation curve of steel guide beam during pushing（Unit：mm）

图5 导梁Von Mises等效应力云图 （单位：MPa）Figure 5 Von Mises equivalent stress of the guide beam（Unit：MPa）

图6 混凝土箱梁主拉应力云图 （单位：MPa）Figure 6 Main tensile stress of concrete box girder（Unit：MPa）

图7 钢混结合段主压应力云图 （单位：MPa）Figure 7 Main compressive stress of steel-mixed joint section（Unit：MPa）

图8 钢混结合段主拉应力云图 （单位：MPa）Figure 8 Main tensile stress of steel-mixed joint section（Unit：MPa）

b.混凝土顶板主拉应力绝大部分区域拉应力小于1 MPa，所有区域小于2 MPa；主压应力绝大部分区域压应力小于5 MPa，所有区域小于7 MPa；顺桥向应力绝大部分区域为压应力且小于5 MPa，只有梁端部分有拉应力但小于1 MPa。

c.混凝土底板主拉应力在箱梁和导梁连接部位下部出现局部应力集中现象，且约2／3面积的拉应力大于2 MPa，顺桥向主应力在箱梁和导梁连接部位的下部出现局部应力集中现象。且1／2面积的拉应力大于3 MPa。

d.腹板下部靠近梁端出现应力集中现象，腹板下部应力大于2.5 MPa的区域占腹板面积接近1／3。

根据有限元计算结果可知，在顶推过程中，在主梁混凝土底板、钢混结合段、腹板下部靠近梁端位置由于受局部外力作用，有较大面积应力超标现象，混凝土存在开裂可能，影响结构强度及耐久性，为保证结构在日后正常运营，需对应力集中区域进行优化加固。

4 优化方案及优化后对比计算结果

为改善主梁与导梁连接部位的受力，对主梁施加体外纵向预应力，预应力采用公称直径15.2 mm的预应力钢绞线，张拉控制应力为1 395 MPa，预应力布置位置如图9所示。

图9 体外预应力布置示意图 （单位：mm）Figure 9 Schematic diagram of external prestressing arrangement（Unit：mm）

在原有有限元模型基础上，根据加固方案，使用Link10三维杆单元模拟体外预应力束，Solid65和Shell63单元模拟锚固装置，优化后有限元模型如图10、图11所示。

图10 体外预应力有限元模型Figure 10 External prestressed finite element model

图11 锚固区有限元模型Figure 11 Anchorage zone finite element model

提取加固优化后钢导梁及混凝土箱梁在顶推过程中结果，并与优化前结果进行对比，如图12～图15所示。

图12 导梁Von Mises等效应力云图 （单位：MPa）Figure 12 Von Mises equivalent stress of the guide beam（Unit：MPa）

图13 混凝土箱梁主拉应力云图 （单位：MPa）

Figure 13 Main tensile stress of concrete box girder

（Unit：MPa）

图14 钢混结合段主拉应力云图 （单位：MPa）Figure 14 Main tensile stress of steel-mixed joint section（Unit：MPa）

优化前后对比计算结果表明：

a.钢导梁在顶推过程中，其根部附近区域的Von mises应力约91.4 MPa，较优化前132 MPa下降40.6 MPa，降幅30.76%。

图15 钢混结合段主压应力云图 （单位：MPa）Figure 15 Main compressive stress of steel-mixed joint section（Unit：MPa）

b.混凝土顶板主拉应力绝大部分区域拉应力小于0.6 MPa，所有区域小于0.9 MPa；主压应力大部分区域压应力小于2 MPa，所有区域小于3 MPa；顺桥向应力绝大部分区域为压应力且小于8.99 MPa。

c.混凝土底板主拉应力在箱梁和导梁连接部位下部出现局部应力集中现象，但约3／4面积的拉应力小于1.53MPa，顺桥向主应力在箱梁和导梁连接部位的下部出现局部应力集中现象。但3／4面积的拉应力小于1.53 MPa。

d.腹板下部靠近梁端出现应力集中现象，但应力大于2.5 MPa的区域只占腹板面积1／10左右，大部分区域应力小于1.53 MPa。

施加体外纵向预应力后，混凝土主梁与钢导梁连接位置拉应力峰值显著降低，高拉应力区域面积明显减小，绝大部分区域最大拉应力均小于1.53 MPa，体外纵向预应力的施加改善了钢混结合段的受力，起到了良好的效果。

5 结论

本文以类双层PC箱梁为研究对象，建立该桥ANSYS有限元模型，分析了该桥顶推施工过程中主梁受力规律，根据计算结果提出了加固优化方案并进行了优化前后对比分析，可得到以下结论：

a.混凝土箱梁在顶推过程中，由于局部承压、截面拉压应力交替显现等因素，混凝土箱梁与钢导梁结合段等薄弱位置易出现应力集中，导致应力超标引起开裂，实际工程中应引起高度重视。

b.通过配置体外纵向预应力，可改善钢混结合段受力，顶推过程中混凝土最大拉应力均有明显降低，钢混结合段应力集中现象得到缓解，拉应力峰值降至1.53 MPa以内，布置体外预应力是一种效果优良的加固方式。