典型先简支后连续分布式箱梁桥施工过程仿真分析

成 岗

(湖南路桥建设集团公司)

0 引 言

预应力混凝土简支连续多箱式桥梁兼有先简支后连续体系桥梁和箱梁桥受力上的特点,且是一多主梁的形式,受力情况比较复杂。桥梁在不同施工阶段的受力特点、各个单体小箱梁内部的受力特性、桥梁在体系转换时的受力性能、桥梁完成由个体到整体施工过程后受力性能的改变、车辆荷载在各个不同梁间的分配等都是共同关心而未得到很好解决的问题,为保证桥梁结构的安全和经济,对这些问题进行研究,跟踪分析桥梁结构的整个施工过程,具有重要的意义。

1 工程概况

某高速公路上一座 5跨 25m先简支后连续分布式箱梁桥为分布式小箱梁桥,宽 11.5m,横向布置为 4片小箱梁, 5跨一联。图 1示出了分布式箱梁桥的整体布置情况。小箱梁梁高 140cm,在跨中处为标准断面,顶板、底板、腹板厚均为18cm,支点处底板和腹板加厚至25cm。两者之间有一个 1.5m长的直线渐变段。箱梁材料采用 50号混凝土。

图1 桥粱总体布置图

2 先简支后连续分布式箱梁桥施工工序

先简支后连续分布式箱梁桥施工过程大体来说分为以下 3个阶段。

(1)预制简支阶段:该阶段的主要工作是,在施工场地内预制小箱梁,并张拉正弯矩区预应力索(腹板预应力束),进行孔道压浆,同时在梁端顶板预留负弯矩束的孔道,养护成型后,安放临时支座,将梁吊装到临时简支状态。

(2)体系转换阶段:该阶段的主要工作是,安放桥梁永久支座,浇湿接头和部分防水混凝土,张拉负弯矩区钢束(顶板预应力束),并拆除临时支座。该阶段中,湿接头的浇筑和负弯矩区预应力钢束的张拉顺序以及临时支座的拆除顺序将对结构最终的成桥内力会产生一定的影响。但一般在施工中都是逐跨进行现浇湿接缝,张拉预应力束的,临时支座的拆除策略也大体相同。

(3)成桥阶段:该阶段的主要工作是,在各联施工结束后,焊接横向连接构件,现浇各片小箱梁之间的横向联系,现浇桥面铺装混凝土、防水层和沥青桥面以及防撞护栏等,最终达到成桥状态。

3 后连续端混凝土浇筑与预应力张拉仿真分析

数值模拟严格根据现场的施工工艺顺序进行。即一个端部浇筑完毕待混凝土强度达到 100%时,进行该端部后连续顶板预应力束的张拉。逐跨进行。分析时,按截面形式不同对边梁和中梁分别计算。

3.1 结构分析模型

有限元建模时,首先建立 5跨箱梁的整体模型,视施工情况进行单元的安装、预应力束荷载效应的施加和约束条件的转换以模拟施工过程。

3.2 计算结果分析

图2为 1-2跨后连续端预应力张拉后相邻两跨箱梁底板中点的挠度曲线,可以看出:利用平面杆系程序与虚拟层合单元USAF程序计算得到的挠度值相差在5%左右,USAP的计算值更大一些;在边梁各跨的跨中,上挠2.5mm左右;而中梁上挠 3.0mm左右,两者差异的原因在于边梁的截面较大一些。

图2 各梁第一个端部(1,2跨连续端)张拉引起的结构位移

对边梁和中梁,在相邻两跨的跨中,顶板预应力束的张拉会在其上缘产生约1～1.5MPa的拉应力(而临时简支阶段完成时尚有 1～2MPa的压应力储备,因此,该处不会出现拉应力过大的情况)。在后连续的端部,计算结果表明,该端部预应力张拉时的储存了 5～5.5MPa左右的压应力,这也是后连续的意义所在,它为永久支座处顶面承受二期恒载和成桥后的活载作用提供了一定的弹性压缩储备。

同样,考查截面上、下缘的平均应力,可以发现中梁的应力水平要略大于边梁,这与中梁截面偏小有关。对于边梁,由于结构及受力的不对称,其应力沿横向的分布也不对称,但在各跨的跨中,基本为一直线,这主要反映了箱梁自由扭转的影响,而在支点处,从边翼缘到内翼缘,应力分布成了一条加速增长的曲线,这除了箱梁的自由扭转效应外,结构的不对称和支座的影响也是一个原因。对中梁,由于结构、荷载、约束本身基本上都是对称的,因此其应力分布也是对称的,且基本上为一均匀的直线,这说明对于该类箱梁,剪力滞等效应并不明显。

4 临时支座拆除过程结构仿真分析

在所有后连续端混凝土浇筑和预应力张拉完毕后。由于在连接端顶板预应力束张拉完毕后,结构已经由各跨临时简支时的静定结构体系转化为各跨连续且支承点很多的超静定结构体系,支座的拆除顺序就将对结构最后的应力和位移结果产生一定的影响。本节中,按照桥梁的实际临时支座拆除次序,即从 1-5跨逐跨拆除临时支座,对结构进行仿真分析,以得到桥梁实际的受力状态。

如图 3所示,临时支座拆除所引起的五跨一联小箱梁的挠度变化曲线。图中,工况 1代表 1#,1'#临时支座拆除;工况 2代表 1#,1'#,2#,2'#临时支座拆除;工况 3代表 1#、1'#～3#,3'#险时支座拆除,工况 4代表 1#、1'#～4#,4'#临时支座拆除。挠度的取值节点为箱梁底板的中点。

从图 3中可以看出,临时支座的拆除(永久支座的安装)引起了较大的结构挠度。这种影响仅是在相邻的两跨内比较明显,在其他跨内,影响迅速衰减。第一个临时支座的拆除影响最大:对边梁,临时支座的拆除在第一跨引起了3mm左右的下挠,而对中梁,相应位置的下挠为 2.5mm。而对 2,3,4跨,由于受前一跨相邻支座拆除的影响,以及本跨内相邻支座的拆除影响,其挠度分布为前半跨上挠,而后半跨下挠,并且挠度的数值大大降低.对最后一跨,由于没有出现临时支座脱空的情况,拆除的临时支座基本对称,结构引起的正负挠度效应基本抵消,因此,总的结构挠度效应很小;由此,可以认为,选择合理的顶端预应力束张拉顺序,尽量合理的安排工序,使得张拉完毕后,各临时支座不出现脱空的现象,同时拆除的两临时支座的支承反力相差不大,应当作为进行连续端混凝土浇筑和预应力束张拉顺序优化的一个目标。

5 二期恒载(桥面铺装、栏杆等)施工过程仿真分析

在各箱梁间横向联系现浇带施工完成后,桥梁便成为了一个整体承受将来的二期恒载和运营阶段的汽车等荷载。由图4可知:

(1)在桥面铺装荷载作用下,边梁和中梁均产生了约2mm的竖向挠度(边跨),其挠度沿纵向的分布一如在均布线荷载下的梁的挠度曲线;

(2)在边跨的下缘,跨中部位最大产生了约 1MPa的拉应力,而在各支点处,则产生了近2MPa的压应力;截面上缘的附加应力水平稍低,在各跨的跨中处,有0.5MPa的压应力,而在支点截面,应力水平很低。对结构的受力是有利的;

(3)在均匀的桥面铺装荷载作用下,箱梁上缘截面的纵向应力沿横向的分布总体均匀,但在边梁位置处也有从边翼缘向中翼缘增大的趋势。

图4 桥面佑装安装后结构挽度和应力的分布

边梁边跨跨中在单梁单跨简支、五跨连续以及成桥状的约束条件下,在结构自重荷载作用下,跨中应力的分布情况,可以得出随结构规模的扩大,纵向和横向联系的增加,空间效应明显减小。在 5跨连续的状态下,结构边跨跨中、中跨跨中以及次边跨中的应力分布情况,我们得出随着两边配跨数目的增加,应力的空间效应也有所减小。

6 结 语

预应力作为一种重要的手段,在控制裂缝,提高桥梁的使用性能和方便桥梁的维护方面有着广泛的应用。但是,预应力效应的分析理论仍然存在着较大的局限,目前多数结构均为平面分析方法,本文利用其对一座先简支后连续分布式预应力混凝土箱梁桥的施工过程进行了详细的仿真分析。

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