连续梁桥预应力损失对零号块轴力影响研究

李 勇

(大西铁路客运专线有限责任公司，山西 太原 030001)



连续梁桥预应力损失对零号块轴力影响研究

李 勇

(大西铁路客运专线有限责任公司，山西 太原 030001)

以河北省石家庄市实际工程为例，介绍了引起预应力损失的主要因素，利用有限元软件系统地分析了桥梁各施工阶段0号块的预应力损失，得出了损失规律，为该类桥梁的设计和施工提供了数据支持。

连续梁，悬臂法施工，预应力损失，有限元模型

0 引言

随着我国高速铁路的迅速发展，连续梁桥成为了铁路桥梁中常见的桥型之一，而其结构的安全性能也成为了各位学者普遍关注的问题之一[1]。相关数据表明，目前国内外已建成运营的大跨径预应力混凝土连续梁桥经常出现的病害为开裂和跨中挠度过大，特别是后期的梁体开裂后，其变形发展迅速严重程度远远出乎学者们的预料，并且在长时间内难以达到稳定状态[2，3]。针对这些病害产生的原因，国内外学者开展了许多研究，但对病害产生的机理尚未达成共识[4-6]。不过，有一点是各位学者都比较认可的，那就是预应力损失规律的不确定性是造成上述病害的主要因素之一[7]。

本文以河北省石家庄市石济客专引入石家庄枢纽工程上跨石家庄东二环(48+80+48)m双线连续箱梁为例，利用有限元软件系统地分析了在桥梁各施工阶段0号块的不同的预应力损失，给出了损失规律，为该类桥梁的设计和施工提供了数据支持。

1 工程概况

石济客专引入石家庄枢纽工程上跨石家庄东二环(48+80+48)m双线连续箱梁位于石家庄市境内，如图1所示。梁全长177.5 m，连续梁顶面宽12.2 m，桥面中心至挡砟墙内侧4.5 m。连续梁采用LXQZ球型钢支座，固定支座设在185号墩上。梁体混凝土为C50混凝土；纵(横)向采用公称直径15.2 mm的预应力钢绞线，其强度标准值为1 860 MPa。

2 预应力损失因素

根据JTG D62—2004公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范的规定，预应力混凝土的预应力损失主要影响因素如表1

所示。

表1 引起预应力损失的主要因素

3 有限元模型

3.1 材料

连续梁桥的材料如表2所示。

表2 桥梁中主要材料力学性能表

3.2 荷载

在连续梁悬臂施工阶段，由于挂篮的作用，现浇梁体是不受力的，这部分的自重主要通过挂篮传递给已经浇筑完成的梁体；同样，在梁体预应力张拉锚固阶段，已浇筑完成梁体承受梁体的自重、挂篮自重和预应力等荷载的共同作用。

3.3 施工阶段定义

根据石济客专引入石家庄枢纽工程上跨石家庄东二环(48+80+48)m双线连续箱梁设计资料，该桥施工阶段定义如表3所示。最终建立该桥的数值模型如图2所示。

4 多跨连续梁桥主要设计参数的分析

4.1 预应力损失的参数计算

4.1.1 短筋T1预应力损失

表3 施工阶段划分

对短筋T1在四种情况下的预应力损失进行分析，如图3所示。

通过对短筋T1的分析可得结论如下：

1)在施工持续时间为7 d,10 d,12 d以及15 d的情况下预应力损失最终结果相差不大，预应力损失的快慢在前期施工中有较大差别。

2)在A0～A3的施工阶段中，施工持续时间越长预应力增长越快。在A3～A5的施工阶段中，施工时间长的工序预应力增长较慢，考虑原因，主要是预应力松弛损失只要与时间是正相关，大约在张拉30 d后，达到稳定不再增加，预应力筋前期的预应力损失主要来自于预应力松弛。

3)在A5～A11悬浇段施工阶段，各施工持续时间下，预应力损失增长较快，但预应力损失与持续时间的长短相差不大，主要原因是混凝土达到龄期后，混凝土的收缩徐变发展较为缓慢，而松弛损失，已经不再变化，松弛损失和混凝土的收缩徐变是造成预应力筋的预应力损失的主要原因。

4.1.2 长筋T11预应力损失

对长筋T11在四种情况下的预应力损失进行了分析，如图4所示。

通过对长筋T11的分析可得结论如下：

1)长筋T11在A10，A11的施工过程中持续时间越长预应力损失越多，施工持续时间为15 d的预应力损失最快。

2)悬浇段施工完成后，预应力损失增长变得缓慢，根据数据分析可知是混凝土收缩徐变引起的预应力损失变小造成的。

3)在中跨合龙时，长筋T11的预应力损失加剧，但是主要受时间影响较大，施工持续时间越长，在该持续时间内发生的预应力损失越小。

4)中跨合龙后预应力损失增长缓慢，拆除模板后，预应力损失会有少许减少。

5)施工持续时间较长，最终的长筋预应力损失反而较小一些。

4.2 0号块受力分析

本文主要研究预应力损失对0号块的轴力变化引起的开裂。本项目主要采用后张法张拉预应力筋，预应力损失大约占到长拉应力的15%。预应力损失与0号块正应力变化情况如图5所示。不同施工持续时间轴力值如表4所示。

表4 不同施工持续时间轴力值

施工持续时间/d最大轴力值/kN最小轴力值/kN7-17．372-15．41610-17．835-15．67012-18．152-15．43715-20．854-16．712

通过对图5和表4可得如下结论：

1)当0号块预应力损失为0时，连续梁0号块的大分应力主要以压应力为主，局部个别区域会出现较小的拉应力，这个是由于在结构边界处，梁体施加荷载产生的应力集中效应或是由于结构发生转角引起的。

2)当0号块预应力损失为10%时，与预应力损失为0相比，对于0号块底板的纵向应力来说，其应力变化幅度较小；对于0号块顶板的纵向应力来说，其应力平均值变化减小，这主要是因为顶板横向预应力束的张拉引起的；对于0号块腹板的纵向应力来说，其仍然是以压应力为主要状态，但其应力均值较小。

3)当0号块预应力损失为20%时，与预应力损失为10%相比，0号块的局部应力状态进一步发生了改变，主要体现在，顶板区域的局部混凝土逐渐开始出现拉应力，且其余部分压应力变小，并向拉应力状态发展；腹板部分区域的混凝土压应力逐渐减小，甚至个别区域已经趋近于0应力，腹板处的压应力储备已经逐步消耗完毕。

4)模拟结果可知，混凝土收缩徐变引起的0号块的轴力最大值发生在节点92处，最小的均在节点101处，从表5中可以看出混凝土收缩徐变引起的预应力损失受施工持续时间影响较大。施工持续时间越长混凝土收缩徐变引起的压应力越大。

5 结语

利用MIDAS/Civil模拟分析了连续梁悬臂浇筑过程中，由于预应力损失引起的0号块的应力状态的变化规律，得到主要结论如下：

1)预应力筋在各施工阶段的预应力损失除受施工阶段的影响外还与施工持续时间有关，施工持续时间长的预应力开始的时候损失快。预应力损失主要发生在悬浇段的施工和合龙段的施工，总的预应力损失随预应力钢束长度的增加而减少，施工持续时间越长，预应力钢束的预应力损失越小，但总的差距很小，短筋几乎可忽略。张拉腹板筋和底板筋对顶板筋预应力损失影响较小。

2)预应力损失对0号块应力影响很大。随着预应力损失增大，轴向压应力逐渐减小，混凝土面临开裂的威胁。除了预应力以外，混凝土的收缩徐变也会影响0号块的轴力变化。施工持续时间影响了混凝土的收缩徐变对0号块的轴力大小的变化。持续时间越长0号块的轴向压应力越大。

[1] 邹 伟．大跨径预应力混凝土连续梁桥施工应力监控的研究[D]．长春：吉林大学，2014.

[2] 汪 剑．大跨预应力混凝土箱梁桥非荷载效应及预应力损失研究[D]．长沙：湖南大学，2006.

[3] 施 嘉．大跨径预应力混凝土连续刚构桥开裂成因分析研究[D]．成都：西南交通大学，2010.

[4] 董 义．大跨径连续刚构桥施工期间预应力损失监测研究[D]．重庆：重庆交通大学，2012.

[5] P.J.BARR,B.M.Kukay,M.W.HALLING.Comparison of Prestress Losses for a Prestress Concrete Bridge Made with High-Performance Concrete[J].Journal of Bridge Engineering Sep,2008,13(5):468-475.

[6] 成 强，魏莉莉．预应力损失估算及控制措施[J]．建筑技术开发，2003，30(7)：20-23.

[7] 涂杨志．大跨度预应力混凝土连续梁桥预应力损失研究[D]．武汉：武汉理工大学，2003.

Study on the impact of continuous bridge beam prestress loss upon zero-block axial force

Li Yong

(Da-XiRailwayPassenger-SpecialLineLtd,Taiyuan030001,China)

Taking Shijiazhuang actual engineering in Hebei province as an example, the paper introduces major factors leading to prestress loss, analyzes zero-block prestress loss at bridge construction phases by applying finite element software, and obtains the loss law, which has provided data support for similar bridge design and construction.

continuous beam, cantilever construction method, prestress loss, finite element model

1009-6825(2017)14-0163-03

2017-03-01

李 勇(1973- )，男，高级工程师

U448.215

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