刚构桥悬臂梁临时张拉体外束降低后期徐变下挠研究

李一玮

(郑州市工程质量监督站，河南 郑州 450052)

0 引言

大跨预应力混凝土(PC)刚构桥具有跨越能力强、施工简便、经济性好、行车平顺等特点，已成为世界上100～300m跨径的主力桥型，我国20世纪80年代中期开始修建连续刚构桥，至今方兴未艾。赵磊以1座3跨连续刚构桥为例，利用有限元软件MIDAS/Civil建立桥梁分析模型，确定桥梁设计结构的各参数，根据不同受力工况分析结构的受力状态。颜东煌等以贵州笋子岩大桥为工程背景，分析大跨连续刚构桥跨中下挠的主要因素。侯铁钢以某施工大桥作为研究对象，建立施工大桥的仿真模型，探讨预应力损失在桥梁运营过程中产生的影响，通过实际受力试验和裂缝分布进行验证。大跨PC刚构桥在后期运营过程中，存在箱梁混凝土开裂问题，箱梁中超出设计许可的裂缝宽度和数量对结构的运营安全性和耐久性构成很大威胁，造成重大安全隐患，大跨PC刚构桥开裂已成难题。本文以某大桥为依托工程，分析临时张拉体外束方案的优点，对比验证几种临时体外束方案的实施效果，建立仿真模型模拟分析各方案对桥梁运营过程承载应力、挠度及预应力损失产生的影响，研究结果可为实际施工提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

以某大桥为依托工程，跨径布置为(120+230+120)m PC刚构桥。单箱单室箱形截面，箱梁梁高及底板厚度均按1.8次抛物线变化。箱梁跨中梁高4.4m，根部梁高13.8m，顶板宽12m、厚0.3～0.6m，底板宽6.5m、厚0.32～1.3m。腹板厚1.0，0.95，0.8，0.65，0.5m，如图1所示。该特大桥在纵、横、竖3个方向施加预应力。

图1 箱梁截面(单位：cm)

1.2 临时张拉体外束方案

采用4种临时体外束方案，在2，7，14号块上安放临时体外束，如表1所示。除方案a外，其他方案均对底板进行临时张拉束，底板束与底板间距约60cm。以上各临时体外束对称，前后两端张拉，张拉应力要求在1 400MPa。

表1 各方案参数

2 数值分析

2.1 数值模型

使用有限元软件MIDAS/Civil建立该大桥的有限元模型，如图2所示，对成桥后结构受力情况进行仿真模拟。

图2 桥梁有限元模型

如图2所示，综合考虑桥梁的预应力钢筋、桥梁主梁、柔性桥墩等结构，使用有限元软件构建模型时，通过有限元软件MIDAS/Civil的单元类型仿真模拟桥梁各结构，根据施工情况对桥墩底部和边跨固定自由度。根据相关规范和桥梁施工实际情况，确定桥梁仿真模型的相关基本参数，如预应力束与管道壁的摩擦系数、预应力钢筋的抗拉强度值等。混凝土的徐变系数、收缩应变随时间(单位为d)变化趋势曲线如图3所示。

图3 混凝土徐变系数、收缩应变时程曲线

2.2 成桥后应力分析

在桥梁跨中位置，在拆除临时支护约束后一般会出现弹性回弹现象。拆除临时体外束前后跨中截面和支点截面的应力变化如图4，5所示。

图4 拆除临时体外束对跨中截面应力的影响

图5 拆除临时体外束对支点截面应力的影响

分析3个方案在桥梁跨中位置拆除前后上、下缘应力大小，方案1～3实施后有效降低跨中截面上缘压应力、增大跨中位置下缘压应力，方案a实施后对跨中截面的上、下缘压应力与原设计方案对比产生效果较小；可看出对底板进行临时张拉束的布置越大，实施前后上、下缘压应力变化越大，其中方案3实施后上、下缘的压应力变化最大，产生效果最佳。

由图4可知，拆除临时体外束会导致跨中上缘压应力减小，而跨中下缘压应力增大。如图6，7所示，对比成桥后跨中截面及支点截面的应力变化，拆除临时体外束后，各方案下缘应力均有不同程度降低，各支点截面的下缘应力基本相同，均在8MPa范围内。上缘应力除方案a外，均有不同程度增大，其中方案3应力增加最大。

图6 成桥后跨中截面应力时程曲线

由图6a可知，方案1～3对桥梁的跨中位置产生的上缘压应力有减小效果，其中方案2产生的压应力大于方案3，方案1产生的压应力大于方案2，方案a实施效果与原设计方案效果基本无变化，作用不明显。

由图6b可知，方案1～3对桥梁的跨中位置产生的上缘压应力有增强效果，其中方案2产生的压应力小于方案3，方案1产生的压应力小于方案2，方案a实施效果与原设计方案效果基本无变化。分析方案3和原设计方案在下缘位置成桥后各时间点的压应力数据，方案3实施后跨中截面下缘压应力数值较原方案应力值要大，表明方案3很好地提高了跨中截面抗裂性能。

由图7可知，方案1～3和方案a支点截面上缘和下缘压应力基本与原设计相同，上缘压应力略减小而下缘略增大。分析各方案在成桥后支点截面应力的时程曲线，成桥后支点截面下缘应力在0～20年，方案3都较原方案应力值大约0.3MPa，表明各方案与原方案的作用效果相比不显著。

图7 成桥后支点截面应力时程曲线

3 现场监测与有限元结果对比分析

3.1 临时体外束最终方案

根据上述模拟结果，并结合该依托工程实际情况，确定桥梁施工最终的临时体外束方案，在2号梁段安放4根和7号梁段及14号梁段安放6根27φ15.24预应力束，如表2所示，布置位置同方案1～3，增加底板的压应力。

表2 最终方案参数

3.2 现场监测及结果对比

考虑实际施工现场各方面影响因素，测量数据充分控制精度，因此选取长期性、线形平稳性较强，对施工过程中需采集应变的重要保证截面(支点、L/4)，通过在连续梁截面处布置观测钉和应力计监测施工应力数据，监测数据通过专业的测量应力的仪器采集。采集不同箱梁施工截面结构变形数据与追踪桥梁曲线变化情况，并分析梁悬臂端的合拢精度及桥面线形变化。

对比现场应力监控数据及有限元模型计算结果，如表3所示，施工阶段，施工1～26号计算结果多，由于篇幅所限在此不阐述15～26号块计算结果数据分析，如图8，9所示。

表3 原设计在恒载作用下关键梁段施工应力(拉正、压负) MPa

图8 支点断面应力对比

图9 L/4 断面应力对比

由图8，9可知，在每个施工阶段的支点和L/4截面的测量值基本上与计算值相差不大。截面上部压应力计算值与测量值之间的最大差值在施工梁体的22号分段位置处。

下部压应力计算值与测量值之间的最大差值在施工梁体的9号分段位置处。L/4截面上的压应力计算值与测量值之间的最大差距在施工梁体的26号分段位置处，下部压应力计算值与测量值之间的最大差值在施工梁体的25号分段位置处，最大差值均满足设计和施工要求。

此外，整理监测应力数据绘制应力曲线符合理论应力曲线的走势和变化，说明所建立的计算模型与施工情况基本一致。

4 结语

以某大桥为依托工程，通过对大桥施工分析临时体外束方案的可行性，对比研究4种临时体外束方案的实施效果，通过理论分析各方案对桥梁运营过程后承载应力、挠度产生的影响。并根据有限元仿真分析及施工监测数据确定了最终方案，其中监测施工过程中应力与仿真数据对比验证仿真分析结果的可靠性强。最终得出以下结论。

1)大跨PC梁桥在施工阶段各梁段截面上缘所受应力较大，顶板徐变产生的挠度比底板的大，成桥后各梁段截面下缘应力随时间变化一直加大，底板徐变产生挠度比顶板的大，桥梁特别是跨中位置下挠严重，因此，采用临时体外束增加在施工阶段桥梁预应力，特别是各梁体截面底板位置的压应力，来调整徐变变化从而减缓桥梁的结构下挠。

2)通过方案1～3在底板张拉临时张拉束，增大成桥前梁体截面的下缘压应力，底板徐变在成桥前基本完成，使得桥梁负弯矩区的转角及跨中挠度减小，成桥后结构由徐变引起的下挠减小，方案3成桥后20年的时间点跨中下挠变形量较原方案得到明显改善，采用方案a均增大顶、底板位置的压应力时，拆除临时体外束后跨中截面挠度变形量较方案1实施后下挠加大，可知若加大施工阶段顶板处压应力，拆除临时体外束后作用适得其反。

3)通过以上分析与结论可知，在拆除临时体外束时，梁体弹性回弹使主跨跨中底板压应力增加，有效提高了跨中截面抗裂性能和刚性。