大跨度连续刚构桥悬臂施工期预应力损失研究

张鑫

摘要：文章以在建麻昭高速公路牛家沟特大桥实际工程为背景，采用有限元法模拟桥梁悬臂施工期纵向预应力筋束的张拉过程，以预应力损失最小为原则确定最优的预应力钢束张拉次序，提出针对连续刚构桥预应力张拉施工的“先张拉顶板钢束，再张拉腹板钢束”的张拉次序原则，研究成果对有效预估连续刚构桥悬臂施工期预应力损失有一定参考价值。

关键词：大跨度连续刚构桥；预应力损失；预应力张拉；张拉次序；悬臂施工 文献标识码：A

中图分类号：U448 文章编号：1009-2374（2016）01-0103-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.052

随着西部大开发战略的实施，我国高速公路建设逐步进入山区，跨越深沟峡谷能力强的大跨径预应力混凝土连续刚构桥得到了广泛推广。预应力筋的张拉是连续刚构桥悬臂施工期的关键环节，张拉过程是一个复杂的非线性的力学传递、分配过程。其中，多束预应力筋的分批次张拉可引起已张拉力筋预应力的损失，后续预应力筋的张拉必然引起已张拉力筋预应力的损失，竖向和水平力筋的张拉也必然对纵向力筋的预应力水平有一定的影响。相关研究表明，刚构桥悬臂施工过程中的预应力损失甚至可达张拉控制力设计值的20%左右，因此正确地预估预应力损失是保证工程安全性的关键。

本文通过分析预应力混凝土连续刚构桥在施工阶段的预应力损失理论，以在建的麻昭高速公路牛家沟特大桥实际工程为背景，利用有限元分析方法对连续刚构桥悬臂施工期多束预应力筋分批次张拉所引起的预应力损失进行分析。在此基础之上，结合实际施工情况，提出几种典型的预应力张拉方案，并在分析模型中进行模拟张拉，通过比较几种不同的张拉次序下结构的预应力损失情况，以预应力损失最小为原则提出连续刚构桥悬臂施工期的最优纵向预应力钢束张拉次序。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概况

本文以在建麻昭高速公路牛家沟特大桥实际工程为背景。主桥箱梁为55+180+95m的单箱单室变截面预应力混凝土连续箱梁结构，外腹板采用竖直腹板形式，箱梁顶板宽度为12m，箱梁底板宽度为6.5m。全桥采用挂篮悬臂浇注的施工工艺。箱梁采用C55混凝土，三向预应力结构，纵、横向预应力钢绞线采用符合GB/T 5224-2003标准的φ15.2mm低松弛钢绞线；纵向预应力采用M15-22、M15-16锚具，管道形成采用塑料波纹管成孔；顶板横向预应力采用BM15-3锚具，管道采用内径70mm×25mm扁形塑料波纹管成孔；竖向预应力0#～8#块采用3φ15.2mm低松弛钢绞线，9#～21#块采用高强精轧螺纹粗钢筋（φ=32mm），管道形成采用内径φ50mm塑料波纹管成孔，张拉控制力为580.5kN。

1.2 计算模型

本文仅对0#块、1#块上预应力筋的张拉过程进行数值模拟分析，之后施工的梁段均是依此循环进行的。有限元模型共包含80个节点，76个梁单元，预应力钢束荷载16组，预应力钢筋总束数为16束。

1.3 预应力钢筋的模拟

预应力施加步骤如下：（1）定义预应力钢筋的截面特性与普通钢材性质，同时考虑材料的极限强度、摩擦系数、波纹管直径及预应力钢束特性值；（2）根据设计要求定义预应力钢筋的坐标值，构建预应力钢筋的形状；（3）参照施工期张拉次序施加预应力荷载，定义预应力钢筋的初始张拉控制应力。

1.4 定义边界条件

对0#块进行空间仿真分析时，原则上需要同时模拟支座与0#块，以便真实反映边界约束条件。但是，若同时模拟支座与0#块，建模较困难，支座与箱梁底板的连接不好处理。在工程实际中，常常关注的是0#块的空间应力分布，支座处的设计偏安全，因此可以通过在0#块箱梁与支座相交的范围内施加约束条件来近似的模拟边界约束。

2 纵向预应力筋不同分批张拉对预应力损失的影响分析

在纵向预应力筋不同分批张拉对预应力损失的影响分析中，本文拟对各张拉方案中控制截面的位移、应力及混凝土弹性压缩预应力的损失进行比较，研究分批次张拉对预应力损失的影响。实际工程中，0#块总长16m，1#块长为3m。0#、1#梁段截面的预应力钢束布置。

各项预应力损失中，瞬时损失占较大比例。不同张拉方案下，两种方案的瞬时损失值一样，收缩徐变损失、松弛损失相差不大。方案2即先张拉顶板束后张拉腹板束下预应力损失最小。

2.1 混凝土弹性压缩预应力损失计算及分析

在连续刚构桥悬臂施工期的预应力张拉过程中，采取任何张拉次序均可导致先张预应力筋产生预应力损失。本文取的施工阶段为0号节段至1节段，通过模型计算得到采用方案1与方案3张拉次序时各预应力筋束在悬臂端部由混凝土弹性压缩引起的先张预应力筋束的预应力累计损失结果。

计算结果表明：由于张拉方案3采用同一截面预应力钢束张拉存在先后顺序，因此预应力的弹性损失可达到10.193MPa，有必要继续研究在同一截面上，分批次非对称张拉对预应力损失的影响。

2.2 不同分批张拉对纵向预应力筋预应力损失的影响分析

为了研究在施工时，纵向预应力钢筋不同分批张拉对预应力损失的影响，通过有限元模型计算分别模拟了方案1、方案3、方案4、方案5的预应力损失的情况。以几种方案张拉的效果可以看出，对称张拉的弹性损失最小。在非对称张拉方案中，预应力弹性损失从大到小的排列顺序依次为方案3、方案5、方案4。因此，采用方案4较为合理。

3 结语

本文以在建麻昭高速公路牛家沟特大桥实际工程为背景，采用有限元法模拟了桥梁悬臂施工期纵向预应力筋束的张拉过程，设计多种张拉方案，以预应力损失最小为原则确定最优的预应力钢束张拉次序。研究结果表明：连续刚构桥在悬臂施工阶段的预应力张拉过程中，为将后张拉批次预应力钢束张拉所引起的混凝土弹性压缩所造成的先批次张拉预应力钢束所产生预应力损失降低，宜遵循左右对称原则，即本文提出的张拉案1（先张拉顶板束后张拉腹板束）；如不具备对称张拉的条件时，从预应力损失最小角度考虑，可优先考虑方案4；方案5左右两侧预应力基本偏于平衡，在张拉的过程中也尽量遵循了左右对称的张拉原则。

参考文献

[1] 张继尧，王昌.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 徐君兰，项海帆.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 刘成龙，陈强，李振伟.温度对悬臂法施工桥梁悬臂箱梁标高的影响及其对策[J].桥梁建设，2003，（1）.

[4] 李珠，高建全，贾敏智，等.预应力结构数控张拉技术的研究[J].施工技术，2003，32（7）.

[5] Nawy E G.PrestressedConerete：A Fundamental Approaehes[M].Prentiee Hall，EnglewoodCliffs，1996.

[6] JohnEB.PrestressedConerete：TheStateoftheArtinNorth America[J].PCI Journal，2010，35（6）.

[7] Allen R C，David M J，Joseph W T，et al.Strenghtening of reinforced conceretbemaswithexternally bonded composite laminates[J].ACI Surtcutral Jounral，1999，96（2）.

[8] Li Zhu.Analysis and Spot-test on a Special Combined Structure Incorporating Beams，Plates and Net Shells

[A].International Congress of Creatingwith Concrete

[C].England：Thomas Telford，2009.

[9] 郭全全.预应力数字化张拉技术及预应力结构中环境温度效应的研究[D].太原理工大学，2003.

[10] Bazant D P，Yu Q.Designing Against Size Effect on Shear Strength ofReinforced Concrete Beams Without Stirrups[J].Journal of StructuralEngineering，2005，131（12）.

（责任编辑：黄银芳）