预应力损失及合龙措施对大跨径PC连续刚构桥跨中下挠的影响

李 华，王 谦

(1.湖南高速工程咨询有限公司，湖南 长沙 410000；2.中大检测(湖南)股份有限公司，湖南 长沙 410006)

近年来，国家大力发展交通建设，桥梁既能作为跨越大型山谷及河流的标志性建筑，又能成为两条路之间的连接线，在国家交通网的整体规划中发挥着极为重用的作用。而众多桥梁类型中，预应力连续刚构桥以其特有的优势被广泛应用的工程实际中，受到设计人员的青睐，受到施工人员的喜爱。基于现有的研究基础上，以列夕特大桥为工程依托，采用有限元软件midas Civil分析了混凝土预应力损失、中跨和龙顶推、边跨平衡压重对其施工过程和后期成桥10年内桥梁跨中累积位移的影响。

1 工程概况与有限元建模

列夕特大桥是孔跨布置为(110+235+110)m的双肢薄壁连续刚构桥，根部梁段高从14.59 m按1.8次抛物线变化到中跨和龙梁段高5.59 m。桥墩为双肢空心矩形墩，1#墩高53 m、2#墩高64 m。桥梁立面布置如图1所示，主梁横断面如图2所示。

图1 列夕特大桥立面布置图(单位：m)

图2 列夕特大桥主梁横断面图(单位：m)

采用有限元软件midas Civil计算列夕特大桥施工阶段和成桥10年阶段内的受力和位移情况，主梁单元的划分以该桥梁结构施工工序为依据，桥墩在过人孔位置细化单元，桥梁结构有限元计算模型如图3所示。墩底采用固定约束，墩与梁连接采用弹性连接的刚性。

图3 桥梁结构有限元midas Civil计算模型

2 预应力损失对桥梁跨中下挠的影响

2.1 预应力摩阻损失估计不足

由于孔道不可能完全顺直且孔道的位置可能有偏差的原因，会产生预应力摩阻损失[1]，我国规范关于k、μ取值偏低。而我国目前的施工水平也很难保证预应力摩阻损失控制参数满足设计要求，主要有以下几个方面的原因[2]。

(1)波纹管出现小孔导致混凝土浆液进入管内，从而使管道内壁粗糙，即μ变大，摩阻损失增大。

(2)随着预应力索长度的增加，预应力筋可能出现相互缠绕的现象，即μ变大，x变大，摩阻损失增大。

为研究预应力摩阻损失对桥梁跨中下挠的影响，分别考虑下面六组不同的k、μ值进行计算，并以工况一k=0.001 5，μ=0.17为基准，工况二k=0.001 5，μ=0.30，工况三k=0.003 0，μ=0.17，工况四k=0.001 30，μ=0.30，工况五k=0.001 45，μ=0.17，工况六k=0.001 45，μ=0.30为对象，研究不同的k、μ取值对跨中挠度的影响，其计算结果如图4所示。

图4 摩阻损失对跨中累积位移的影响

从图4可知：桥梁跨中累积位移随k、μ的增加而减少。在成桥阶段，以工况一k=0.001 5，μ=0.17为基准，工况二到工况六的累积位移减少量分别为0.48、0.28、0.74、0.55、1.00 cm，在成桥十年阶段，以工况一k=0.001 5，μ=0.17为基准，工况二到工况六的累积位移减少量分别为1.17、1.07、2.20、2.10、3.19cm。在不同的成桥阶段，以工况一k=0.001 5，μ=0.17为基准，工况六k=0.001 45，μ=0.30的累积位减少最明显，并且随着时间的推移，减少的速度越来越快。从以上计算结果可以看出:预应力摩阻损失是连续刚构桥跨中下挠的一个重要原因。因此，在大跨度预应力混凝土连续刚构桥设计时建议适当放大波纹管孔道的k、μ值[3]。

2.2 有效预应力损失

根据相关试验研究，8 a内预应力的长期损失可达到桥梁竣工时的有效预应力的16%[4]。有为研究纵向预应力损失对桥梁跨中下挠的影响，分别考虑桥梁全部纵向预应力降低5%、10%、15%、20%，以及底板束、顶板束、腹板束各自单独降低20%。计算得到不同成桥阶段预应力损失与桥梁跨中累积位移变化规律如图5～图6所示。

图5 预应力损失对跨中累积位移的影响

图6 预应力损失对跨中累积位移的影响

从图5～图6可知：桥梁成桥后不同阶段，随着全部纵向预应力的减小，桥梁跨中累积位移逐渐减少。成桥到成桥10年，全部纵向束预应力降低20%时，桥梁跨中累积位移减少4.42 cm。底板束预应力降低20%时，桥梁跨中累积位移减少1.84 cm。顶板束预应力降低20%时，桥梁跨中累积位移减少1.36 cm。腹板束预应力降低20%时，桥梁跨中累积位移减少1.22 cm。从上述结果看可以看出，底板束预应力降低影响最大，其次是顶板束，腹板束影响最小。当全部纵向束预应力降低20%引起的桥梁跨中累积位移的减少量，等于底板束、顶板束、腹板束预应力分别降低20%引起的各自桥梁跨中累积位移的减少量之和。

因此，预应力损失是连续刚构桥下挠的一个重要影响参数，在张拉预应力时应严格控制张拉应力，宜采用智能张拉技术。

3 中跨顶推合龙对桥梁跨中下挠的影响

3.1 水平刚度的计算

列夕特大桥主梁为变截面箱梁，计算梁体的等效刚度比较复杂，采用有限元软件midas Civil计算其结果。为了计算1、2号墩的水平抗推刚度，计算了顶推力P为0、100、200、300 kN作用下的各墩顶水平位移，计算结果见表1。

从表1可知：对于1#墩，当顶推力增加100 kN时，墩顶水平位移增加1.27 mm，其单位位移顶推力为78.7 kN/mm。对于2#墩，当顶推力增加100 kN，墩顶水平位移增加2.16 mm，其单位位移顶推力为46.3 kN/mm，即K1=7.87×104kN/m，K2=4.63×104kN/m。

表1 墩顶水平位移与顶推力的关系

3.2 顶推力的计算

假设跨中合龙时为设计温度，采用midas Civil计算恒载作用下10年1#墩墩顶水平位移为Δ1=40.36 mm，2号墩墩顶水平位移为Δ2=63.08 mm，根据合龙顶推力F=K×Δ，计算得F1=3 176 kN，F2=2 920 kN，当桥梁在设计合龙温度合龙时，计算得到合龙顶推力为F=(F1+F2)/2=3 048 kN，考虑施工过程的方便性，最终确定合龙顶推力为F=3 000 kN。

3.3 顶推力大小对桥梁跨中下挠的影响

顶推力以分级加载的原则按500，1 000，2 000，3 000 kN分为4级加载，分别计算不同成桥阶段顶推力大小与桥梁跨中累积位移变化规律如图7所示。

图7 顶推力对跨中累积位移的影响

从图7可知，在成桥阶段，随着顶推力的增加，跨中挠度变化不是很明显，在成桥十年阶段，施加顶推力从0 kN增加到3 000 kN后，跨中累积位移由0.34 cm变成0.62 cm，桥梁跨中下挠量减小0.28 cm，因此，中跨合龙顶推对跨中下挠影响较小[5]。

4 边跨平衡压重对桥梁跨中下挠的影响

受各种因素的制约，连续刚构桥施工中会出现桥墩T构两边施工不对称的情况，这时可采用不对称悬浇配重措施，合适的配重方案对施工过程中内力状态有利[6]。由于列夕特大桥边中跨比只有0.468，悬臂浇筑26#梁段混凝，进行边跨合龙后，需要填筑两边跨平衡压重片石混凝土，中跨悬浇挂篮继续前移，在中跨26#梁段上安装调试挂篮，逐段悬臂浇筑中跨27#、28#梁段混凝土，然后拆除中跨悬浇挂篮，安装中跨和龙吊架，进行中跨和龙段混凝土浇筑。

双肢薄壁墩轴向力与边中跨比值有关，边跨平衡压重可以适当增加边跨部分应力，有效发挥材料的承载能力[7]。合适的边跨平衡压重可以增加外侧墩柱的轴向力，使得两墩柱轴力大致平衡，因此边跨平衡压重对调节主墩轴力能起到一定的作用[8]。对列夕特大桥施加边跨压重1 760 kN，以使得主墩两墩柱轴力大致相等为施加边跨压重原则。同时考虑边跨压重荷载增加5%、10%、15%、20%对桥梁跨中累积位移的影响，计算得到不同边跨平衡压重作用下，桥梁跨中累积位移随成桥时间的变化规律见图8。

图8 累积位移随成桥时间的变化规律

由图8可知：边跨平衡压重的增加对桥梁跨中累计位移的变化影响不大，可以忽略不计。在成桥10年阶段，边跨平衡压重增加20%，桥梁跨中累计位移增加了0.01 cm。

5 结 论

以列夕特大桥为例，采用有限元软件midas Civil分析了混凝土预应力损失、中跨和龙顶推和边跨平衡压重对其施工过程和后期成桥10年内桥梁跨中累积位移的影响，得出以下结论。

(1)预应力损失是大跨径预应力混凝土连续刚构桥长期挠度下挠最主要的因素。桥梁纵向预应力钢束中，对桥梁跨中长期挠度影响最大的是底板束，最小是腹板束。预应力损失相同比例，成桥10年阶段导致的跨中下挠增加最明显。

(2)高墩大跨连续刚构桥实施顶推合龙可以改善桥墩受力情况，但对跨中下挠的影响较小。

(3)通过改变边跨平衡压重的大小，发现其对桥梁跨中引起的累积位移变化不是很明显。