预应力钢束线形对连续梁桥受力性能的影响分析

周聪

（江西省公路科研设计院有限公司，江西 南昌 330008）

0 引言

连续梁结构自身传力清晰，在体系施加预应力后具有变形小、刚度大、伸缩缝少、行车舒适、施工便捷、维修简便、抗震能力强等特点。预应力连续梁是常用的桥梁结构[1-4]。在公路桥梁中，预应力混凝土连续梁桥以其成熟的结构体系广泛运用于中小跨径桥梁中[5]。预应力钢束是该结构的重要部分，预应力的施加对结构的承载能力以及正常使用功能都会造成影响[6-7]。对于预应力钢束，其线形对连续梁桥受力性能的影响还需要进一步探索。本文以重庆某高速公路连续梁桥作为工程实例，探究预应力钢束的布置形式对结构性能的影响，以期为预应力连续梁桥设计中的预应力布置提供参考。

1 研究模型

1.1 工程概况

重庆某高速公路上的4×28m 预应力混凝土连续梁桥，分左右幅（本文仅研究左幅），下部结构采用圆柱式墩+桩基础，单箱三室截面，桥宽16.8m，梁高1.8m。

1.2 仿真模型建立

在建模过程中需要考虑施工阶段或者材料时间依存性效应，快速建立模型，并可实现模型自动更新[8]。根据设计方案，采用Midas Civil 软件进行有限元分析建模，建模方式为单梁法，上部结构材料为C80，预应力采用抗拉强度为1 860MPa 的钢绞线，预应力钢束由16 根直径为18.2mm 的钢丝组成。相应地设置边界条件，边界约束采用“一般支承+一般弹性连接+刚性连接”的方式模拟[9]。

结合工程背景资料，考虑的荷载包括：自重、二期铺装、梁截面升温、梁截面降温、整体升温、整体降温、预应力、车道荷载、支座沉降、混凝土收缩徐变。其中，自重、二期铺装、预应力以及混凝土收缩徐变以施工阶段荷载的形式考虑。

1.3 钢束线形设计

预应力工艺分为先张法和后张法。后张法具有明显优势。需要确定的关键因素是预应力钢束的线形。预应力钢束所用的钢丝束，包括冷拔高强钢丝和钢绞线两类，用在大跨度钢筋混凝土结构中，特别是用在公用大跨度建筑的梁、柱中，可大幅度减小梁的挠度。运用无黏结预应力工艺，省去了灌浆工艺的繁琐。

预应力钢束由预应力钢筋组合而成。公路桥涵设计规范推荐使用的预应力筋有钢绞线、消除应力钢丝和精轧螺纹钢筋。本文拟探究三种不同预应力钢束布置下的受力差异性，由此得出预应力钢束的布置对结构的影响，为工程设计中预应力钢束的布置提供参考。

桥梁支座是连接桥梁上下部结构的重要部件，其主要作用包括两个方面：一是将上部结构荷载传递到下部结构，二是满足上部结构变形的要求。连续梁桥的支座连续段位置处由于正负弯矩的存在而受力复杂，是连续梁受力的关键部位[11]。因此，本文的研究中三种不同的预应力钢束布置主要体现在支座连续段位置处的布置有所不同，而在其他位置处的布置形式一致。本桥为四跨连续梁桥，故支座连续段位置有3处，3个支座连续段的钢束布置形式一致。

方案一为标准方案，竖弯点分别在距跨中1.8cm,2.8cm, 4cm 处，支座处的钢束高度分别为0.98cm,1.0cm,1.18cm。方案二相较于方案一，钢束竖弯的位置点不变，支座处的钢束由上至下高度分别降低20cm, 18cm, 10cm。方案三相较于方案二，支座处的钢束高度不变，上部竖弯点分别向外侧移动0.8m,1.8m,2m，即改变了竖弯位置，增大了钢束在支座连续段位置处的水平长度。

2 结构有限元分析

通过对三种预应力钢束线形下的结构进行有限元分析，提取支反力、变形、内力、应力、抗弯承载能力5个指标进行详细分析。

2.1 支反力

桥梁运营过程中，支座主要承受竖向力作用。荷载的标准组合下提取结构支反力，分析结果可知，当降低预应力钢束时，两端支座的反力值略微增大，中间支座的反力值略微减小；当增大支座连续段位置钢束的水平段长度后，两端支座的反力值略微减小，中间支座的反力值略微增大，但是，最中间的支座处反力值略微降低。总的来说，改变钢束形式对支反力影响不大。

2.2 变形

预应力混凝土结构采用高强度材料，与跨长相比，其截面尺寸较普通钢筋混凝土构件小，而且预应力混凝土结构所使用的跨径范围一般也比较大，故设计中需要注意预应力混凝土结构的变形情况。因此，以变形作为影响因素进行分析。根据工程背景，在标准组合下查看结构的变形，三个结构的最大变形均出现在第二跨和第三跨的跨中位置。

变形云图线形和变化趋势基本一致，只是变形的最大值略微不同。3种方案下的最大挠度如表1所示。

表1 最大挠度值 单位：mm

改变钢束形式的方案三，与方案二相比，数值变化不大。降低钢束高度的方案二，与方案一相比，数值变化较大。数据表明，当改变钢束形式后，对结构的最大挠度影响不大，降低钢束高度后，结构最大挠度增大约1mm，增大水平段长度使最大挠度增大约0.2mm。

2.3 梁单元内力

预应力混凝土连续梁桥的受力是以受弯为主。在荷载作用下，受弯构件的截面会承受弯矩和剪力的作用。所以，需要以内力作为评判指标。在荷载的基本组合下提取结构的内力值。3 种方案结构的内力图线形和变化趋势相似，最大弯矩与最小弯矩的数值有所差别，具体如表2所示。

表2 最大和最小弯矩值 单位：kN·m

由表2 可知，当降低预应力钢束后，结构的最大弯矩增大约3 000kN·m，最小弯矩减小约3 000kN·m；当增大水平段长度后，最大弯矩减小约2 000kN·m，最小弯矩增大约2 300kN·m。

2.4 梁单元应力

在基本组合下提取结构的内力值，3 种方案下支座连续段位置处的应力值如表3所示。

表3 应力值 单位：MPa

由表3 可知，当降低钢束高度后，拉应力减小1MPa，压应力增大0.9 MPa；当增加水平段长度后，拉应力增大0.7 MPa，压应力减小0.7 MPa。

通过分析梁单元内力及应力可以发现，降低钢束与增大支座连续段的钢束长度，对结构的影响是相反的。可以根据这一结论指导应力束组合，优化目标，使连续梁桥受力更加均衡，改善桥梁结构的受力性能。

2.5 抗弯承载力

抵抗弯矩图，又称材料图，就是沿梁长各个正截面按实际配置的总受拉钢筋面积能产生的抵抗弯矩图，表示各正截面的抗弯承载力。通过对Midas Civil中的模型进行有限元仿真分析后，转入到Midas Civil Designer程序中进行验算。通过验算，得到支座连续段位置处102#构件的抗弯承载能力验算值，如表4所示。

表4 102#构件的验算值

支座连续段位置左侧24#构件的验算值如表5所示。

表5 24#构件的验算值

由表4、表5 可知：降低支座位置处的钢束高度，该位置处的结构最大正弯矩值增大，最大负弯矩值减小，但钢束的下移增大了结构正抗弯承载力，减小了结构负弯矩承载力；增大支座连续段位置处水平段的长度，结构最大正弯矩值将减小，该位置处结构的最大负弯矩值增大，但水平段长度的增大减小了结构的正抗弯承载力，增大了结构负弯矩承载能力。

由表5也可以看出，24#构件在方案1标准状态下的结构抗弯承载力低于结构所受的弯矩，安全系数仅为0.9，当降低支座连续段位置处钢束的高度后，虽然正弯矩值增大了，但是结构正弯矩承载力有较大幅度提升，因此结构抗弯承载力满足受力要求。

通过以上分析可知，降低钢束高度与增大钢束水平段长度会产生相反的效应，因此仅就抗弯能力而言，两种方式不宜同时采取。

在实际工程设计中，改变钢束位置会影响结构在相应位置处的抗弯能力与应力水平，应该根据验算结果，分析抗弯能力薄弱的原因，从而选择改变钢束形式的正确方式。

3 结论

本文对不同预应力钢束方案进行了详细说明，对各方案下的支反力、变形、梁单元内力、梁单元应力和抗弯承载力进行了详细的计算分析。通过对预应力连续梁支座连续段位置处预应力钢束的改变，分析其对结构的影响，得出如下结论：

（1）改变支座连续段位置处的预应力钢束，对结构支反力、变形、内力及应力影响很小。

（2）降低支座连续段位置处的预应力钢束，可增大该位置处的正弯矩，提高其正弯矩承载能力，与此同时也减小了该位置处的负弯矩，降低了其负弯矩承载能力。

（3）增大支座连续段位置处的水平段长度，可减小该位置处的正弯矩，降低其正弯矩承载能力，与此同时也增大了该位置处的负弯矩，提高了其负弯矩承载能力。

（4）降低钢束高度与增大钢束水平段长度会产生相反的效应，因此在通过调整钢束来改善结构抗弯能力时，两种方式不宜同时采用。