纵向预应力对连续箱梁桥中跨跨中变形的影响分析

刘 凯

(创辉达设计股份有限公司 长沙市 410000)

近年来，预应力混凝土变截面连续梁桥在我国交通基础设施建设中发展迅速，越来越多的桥梁设计师在跨江、跨河和跨线的桥梁中选用此桥型。随着连续梁桥的竣工运营，大部分桥梁出现了中跨跨中变形量下降幅度过大的病害现象，直接影响着桥梁结构的耐久性和安全性。

本文针对运营阶段预应力混凝土变截面连续梁桥中跨跨中变形下降幅度过大的问题，结合国内外学者已取得的研究成果[1-2]，从纵向预应力设计上探讨连续梁桥运营阶段中跨跨中变形随纵向预应力钢束位置、张拉控制应力、张拉方式和钢束松弛类型变化的规律。

1 工程概况

某悬浇施工的公路大桥上部结构为55m+90m+55m变截面预应力混凝土连续箱梁，主梁采用C50混凝土，单箱双室，桥宽18.5m，梁底线型按1.8次抛物线变化，墩顶梁高5.5m，跨中及两端梁高2.5m，下部结构桥台为肋板台，桥墩为实体墩，墩台基础均为桩基础。主梁按全预应力构件设计，采用三向预应力体系，横向预应力钢束为3Φs15.2mm普通钢绞线，竖向预应力钢束为3Φs15.2mm低松弛钢绞线，纵向预应力钢束包括腹板束(13Φs15.2mm低松弛钢绞线)、悬浇顶板束(13Φs15.2mm低松弛钢绞线)、中跨底板束(15Φs15.2mm低松弛钢绞线)、中跨顶板束(15Φs15.2mm低松弛钢绞线)、边跨底板束(13Φs15.2mm低松弛钢绞线)和边跨顶板束(19Φs15.2mm低松弛钢绞线)。

2 分析方案

基于梁桥结构计算满足要求的前提，在地质条件、梁桥构造、合龙顺序和荷载作用相同的条件下，从以下几个方面分析运营阶段中跨跨中变形(挠度正值代表向上变形)的变化规律：

(1)纵向钢束位置方案：腹板束、悬浇顶板束、中跨底板束、中跨顶板束、边跨底板束和边跨顶板束。

(2)张拉控制应力方案见表1。

表1 张拉控制应力方案表

(3)张拉方式方案：一次张拉和超张拉。

(4)钢束松弛类型方案：普通松弛和低松弛。

3 分析模型

采用midas Civil软件建立55m+90m+55m连续梁桥的整体模型，全桥共有111个节点，76个单元，边界条件用弹性连接模拟，按设计条件施加荷载和边界条件后，设定50个施工阶段，见图1。

图1 分析模型

4 计算结果与分析

4.1 纵向钢束位置的影响

当其它条件相同时，分别选择不同位置的纵向钢束，改变其张拉控制应力变化幅度，运行分析模型，得到相应梁桥运营10年后的中跨跨中变形量变化图(图2)。

图2 中跨跨中变形量随张拉控制应力变化幅度的变化(运营10年后)

由图2可知，钢束的张拉控制应力是中跨跨中变形的敏感性因素，中跨跨中变形量随边跨底板束和中跨顶板束的张拉控制应力反方向变化，随腹板束、边跨顶板束、悬浇顶板束和中跨底板束的张拉控制应力正方向变化，且中跨跨中变形量对中跨底板束的张拉控制应力最敏感，敏感度系数为6.97。当运营期中跨跨中变形量下降幅度过大时，在结构验算安全的前提下，可通过二次张拉中跨底板的预应力钢束或张拉中跨底板上增设的体外束，提高中跨底板的预压应力，减小中跨跨中变形量的下降值。

4.2 张拉控制应力的影响

据图2的结论，中跨跨中变形量对中跨底板束的张拉控制应力最敏感，当其它条件相同时，改变中跨底板束的张拉控制应力，运行分析模型，得到不同运营时间梁桥中跨跨中的变形量变化图(图3)。

图3 不同运营时间的梁桥中跨跨中变形量随张拉控制应力的变化

由图3可知，不同运营时间的梁桥中跨跨中变形量均随中跨底板束张拉控制应力增加而增大，变化曲线基本平行，当中跨底板束的张拉控制应力从1339.2MPa增加到1413.5MPa时，运营10年后，梁桥中跨跨中的变形量从14.865mm增大到17.848mm，提升了20%，提升幅度较大，在保证钢束满足断丝和滑移限制的前提下，可适当增大中跨底板束的张拉控制应力，提高跨中的正变形量。当中跨底板束的张拉控制应力一定时，中跨跨中的变形量均随运营时间增加而降低，其中桥梁运营前30年的中跨跨中变形量下降速率最快，约0.074mm/a，运营50年后，中跨跨中变形量下降速率逐渐变缓，可近似已基本稳定，这与混凝土收缩、徐变引起的预应力损失随时间变化规律基本一致。当新建连续梁桥时，可在中跨底板上预留预应力钢束，运营期前30年内，在结构验算安全的前提下，逐根张拉中跨底板的预留预应力钢束，维持桥梁原设计的立面线形，保证桥面行车的舒适度。

4.3 张拉方式的影响

当其它条件相同时，改变中跨底板束的张拉方式，运行分析模型，得到相应梁桥运营10年后中跨跨中的变形量变化图(图4)。

图4 中跨底板束张拉方式不同时中跨跨中变形量随张拉控制应力的变化(运营10年后)

由图4可知，中跨底板束张拉方式不同的梁桥中跨跨中变形量均随中跨底板束张拉控制应力增加而增大，变化曲线基本平行，当张拉控制应力同为1376.4MPa时，运营10年后，钢束超张拉的梁桥中跨跨中变形量为16.451mm，钢束一次张拉的梁桥中跨跨中变形量为16.363mm，提升了0.54%，提升幅度较小，在保证钢束满足断丝和滑移限制的前提下，中跨底板可选择适用钢束超张拉的锚具，对中跨底板束进行超张拉，提高桥梁运营期间中跨跨中的正变形量，最大效率地利用中跨底板钢束的预应力。

4.4 钢束松弛类型的影响

当其它条件相同时，改变中跨底板束的松弛类型，运行分析模型，得到相应梁桥运营10年后中跨跨中的变形量变化图(图5)。

图5 中跨底板束松弛类型不同时中跨跨中变形量随张拉控制应力的变化(运营10年后)

由图5可知，中跨底板束松弛类型不同的梁桥中跨跨中变形量均随张拉控制应力增加而增大，采用低松弛钢束的变化曲线斜率比采用普通钢束的变化曲线斜率大，当考虑提高桥梁运营期间中跨跨中的正变形量时，通过增加中跨底板低松弛钢束张拉控制应力的方法比通过增加中跨底板普通钢束张拉控制应力的方法更有效，当中跨底板束的张拉控制应力同为1376.4MPa时，运营10年后，低松弛钢束的梁桥中跨跨中变形量为16.363mm，普通钢束的梁桥中跨跨中变形量为14.309mm，在张拉控制应力一定的前提下，中跨底板应选择低松弛的预应力钢束，减少预应力钢束松弛引起的预应力损失，提高桥梁运营期间中跨跨中的正变形量，最大效率地利用中跨底板钢束的预应力。

5 结论

针对运营阶段中的预应力混凝土连续梁桥，在不同纵向预应力设计方案中进行数值仿真模拟，通过将不同方案中计算的中跨跨中变形量进行对比分析，得到了以下几点结论：

(1)钢束的张拉控制应力是中跨跨中变形量的敏感性因素，中跨跨中变形量随边跨底板束和中跨顶板束的张拉控制应力反方向变化，随腹板束、边跨顶板束、悬浇顶板束和中跨底板束的张拉控制应力正方向变化，且中跨跨中变形量对中跨底板束的张拉控制应力最敏感。

(2)不同运营时间的梁桥中跨跨中变形量均随中跨底板束张拉控制应力增加而增大，变化曲线基本平行，当中跨底板束的张拉控制应力一定时，中跨跨中的变形量均随运营时间增加而降低，其中桥梁运营前30年的中跨跨中变形量下降速率最快，运营50年后，中跨跨中变形量下降速率逐渐变缓。

(3)中跨底板束张拉方式不同的梁桥中跨跨中变形量均随中跨底板束张拉控制应力增加而增大，变化曲线基本平行，当中跨底板束的张拉控制应力一定时，钢束超张拉的梁桥中跨跨中变形量比钢束一次张拉的梁桥中跨跨中变形量微大一些，提升幅度较小。

(4)中跨底板束松弛类型不同的梁桥中跨跨中变形量均随张拉控制应力增加而增大，当考虑提高桥梁运营期间中跨跨中的正变形量时，通过增加中跨底板低松弛钢束的张拉控制应力的方法比通过增加中跨底板普通钢束的张拉控制应力的方法更有效。