预应力管道摩阻参数对现浇连续梁桥挠度的影响

任 炜

（新疆新纪元公路设计有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

预应力混凝土具有增加桥梁结构的抗裂性和减少桥梁设计所用截面的优点，从而施工阶段工程造价低，且使用性能优良［1］。预应力混凝土连续梁桥具有较强的刚度和抗裂性，也是大跨度连续梁桥在设计和施工阶段所考虑的特性。近年来，在桥梁设计中预应力结构的桥梁所占比重越来越高，成为桥梁设计中的首选结构。

虽然预应力桥梁结构具有刚度强、抗裂性好、受力性能好、桥梁跨径大、行车舒适等优点，但也存在桥梁跨中下挠、腹板或底板开裂等病害，存在很大的安全隐患［2］。通过研究分析，发现病害产生的主要原因是桥梁预应力结构中预应力损失过大，有效预应力不足。参考国内外专家对桥梁结构中对预应力损失的研究，发现预应力管道摩阻参数的大小对预应力结构中有效预应力影响较大，进而影响桥梁的线形［3］。因此，预应力管道摩阻参数大小对桥梁的挠度具有很大影响，在桥梁设计阶段管道摩阻参数的取值至关重要。

1 工程背景

某快速化改造工程上跨高架桥引桥部分采用20 m+2×30 m+20 m 预应力混凝土现浇连续箱梁，桥面宽24 m，底板宽16.1 m，梁高1.8 m，见图1。

图1 桥梁结构立面布置/cm

采用单箱四室斜腹板断面，顶板厚0.26 m，腹板厚0.4 m（端部变厚至0.6 m），底板厚0.24 m（端部变厚至0.4 m）；悬臂长2.75 m，端部厚0.2 m，根部按圆弧过渡。现浇连续箱梁采用C50 混凝土，弹性模量为3.45×104MPa。预应力材料采用抗拉强度标准值为1 860 MPa 的低松弛高强度钢绞线，公称直径15.2 mm，弹性模量1.9×105MPa，松驰系数0.3。预应力管道采用塑料波纹管成型。

2 建立模型

运用有限元软件Midas Civil 建立预应力混凝土现浇连续箱梁桥模型，共包含150 个单元和151 个节点。考虑结构恒载、预应力张拉、混凝土收缩徐变、施工荷载及温度变化等因素，通过改变有限元模型软件中摩阻参数的取值来进行模拟，得到桥梁挠度的变化值，并进行分析。有限元模型见图2。

图2 全桥有限元模型

3 管道摩阻参数取值

管道摩阻参数的取值对预应力混凝土连续梁桥的线性有较大的影响，管道摩阻参数包括摩阻系数μ和偏差系数k 两个参数。对比国内桥梁设计规范发现，摩阻系数μ和偏差系数k 的取值在一个给定的区间范围［4］，导致无论预应力管道内部如何，摩阻系数μ和偏差系数k 的取值都是不变的。若摩阻系数μ和偏差系数k 的取值过大，桥梁结构实际施加的预应力就会偏大，桥梁结构会上挠，反之会下挠。因此，摩阻系数μ和偏差系数k 的取值应根据桥梁结构实际情况来设定，对预应力混凝土连续梁桥的线性精确控制意义重大［5］。

根据国内现行桥梁设计规范和相关参考文献，通过改变有限元模型中摩阻系数μ和偏差系数k 的值来分析桥梁各里程挠度的变化。摩阻系数μ分别取0.13、0.15、0.19、0.21；偏差系数k 分别取0.001、0.002、0.002 5、0.003，分别讨论对桥梁沿程线性的影响［6］。

4 管道摩阻参数对桥梁挠度的影响

预应力管道摩阻参数的取值对桥梁结构的挠度影响较大，它是通过影响桥梁的预应力损失进而影响桥梁的挠度。当管道摩阻参数取值较大时，在计算预应力损失时就会较大，实际施加于桥梁结构中的预应力也将过大，此时桥梁结构中预应力过大会引起预应力结构体系破坏。然而，当管道摩阻参数取值较小时，在计算预应力损失时就会较小，从而施加于桥梁结构中的预应力也会减小，此时桥梁结构会出现有效预应力过小，不能发挥预应力结构的作用，在桥梁后期运营的过程中会出现跨中下挠、箱梁开裂等现象［7］。实桥采用塑料波纹管成型方式，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2012）中规定摩擦系数μ的取值为0.14 ～0.17，偏差系数k 的取值为0.001 5，选取μ为0.17，k 为0.001 5为规范值［8］。

4.1 摩擦系数μ单独变化

对照国内管道摩擦系数μ取值规定，管道摩擦系数μ分别取0.13、0.15、0.19、0.21，主梁线形变化曲线见图3。

图3 主梁线形变化曲线

管道摩擦系数μ值单独变化时，对各跨跨中位置截面影响较大，其中挠度值变化最大的位置为2#跨跨中、3#跨跨中截面处，挠度最大变化值约为0.47 mm。（1）随着μ值逐渐增大，在桥墩墩顶位置到跨中位置范围内，桥梁向上的挠度不断变小。（2）随着μ值不断增大，在跨中位置到桥墩位置范围内，桥梁向上挠度不断增大。

4.2 偏差系数k 单独变化

参考国内外偏差系数k 取值规范，选取偏差系数k 值分别为0.001、0.002、0.002 5、0.003，所对应的预应力混凝土连续箱梁桥的挠度变化值见图4。

图4 墩顶竖向位移变化曲线

管道偏差系数k 值对预应力混凝土现浇连续箱梁桥挠度影响较大的位置为桥梁各跨跨中位置截面处，挠度变化最大的位置出现在2#跨跨中、3#跨跨中位置处。（1）随着k 值逐渐增加，桥梁在桥墩至跨中位置范围内向下的挠度值不断增加。（2）在跨中至桥墩位置，当k 值不断变大时，桥梁向上的挠度也不断增加。

4.3 摩擦系数μ和偏差系数耦合变化

耦合变化时管道摩阻参数（μ，k）的值分别取（0.13，0.001）、（0.15，0.002）、（0.19，0.002 5）、（0.21，0.003），结果见图5。

图5 墩顶顺桥向位移变化曲线

由图5 可知，摩擦系数和偏差系数耦合变化时，对桥梁线形的影响要比摩擦系数和偏差系数单独变化时大很多。对桥梁线形影响较大的位置仍然是各跨跨中位置的截面处，其中2#跨跨中、3#跨跨中位置处影响最大。（1）当摩擦系数和偏差系数按设定的值递增时，在桥墩墩顶位置至跨中位置范围内预应力混凝土现浇连续箱梁桥向下挠度值不断增大。（2）当摩擦系数和偏差系数呈递增趋势时，在跨中位置至桥墩墩顶位置范围，桥梁的向上挠度不断增加。（3）通过改变有限元模型中管道摩阻参数（μ，k）的值，发现桥梁线形变化最大位置为2#跨跨中、3#跨跨中位置，挠度最大变化值约为2.38 mm。

5 结语

（1）摩擦系数和偏差系数对桥梁线形的影响呈线形分布，对桥梁跨中位置影响较大，管道摩擦系数和偏差系数耦合变化对桥梁的影响要比单独变化时大很多。（2）摩阻系数的不同取值对桥梁线形影响不同，在桥梁设计阶段，建议将摩擦系数和偏差系数的取值适当放大。对于预应力混凝土连续梁桥建议实测摩阻参数。（3）预应力管道摩阻参数的取值对桥梁的挠度影响较大，认为是桥梁在运营阶段出现下挠的影响因素之一。