大跨连续刚构桥预应力张拉顺序影响分析*

何振东，丁 巍，谢 岚

(1.中交一公局第八工程有限公司，天津 300170； 2.中交一公局桥隧工程有限公司，湖南 长沙 410114； 3.长沙学院，湖南 长沙 410022)

0 引言

大跨径预应力混凝土梁桥的预应力体系复杂，在施工过程中预应力往往需分批张拉，合理的张拉顺序是影响结构性能的重要因素。通过对结构进行施工前的预先分析，能事先制定合理的预应力张拉顺序，确保结构处于最优受力状态。

本文以龙溪嘉陵江特大桥主桥上部结构为研究对象，通过有限元软件计算悬浇过程及中跨合龙阶段预应力不同张拉顺序对结构受力的影响，所得结果可为以后类似工程提供参考。

1 工程概况

龙溪嘉陵江特大桥是重庆三环高速公路合川—长寿段的控制性工程，全长1 053m，主桥为(108+200+108)m的预应力混凝土连续刚构桥(见图1)，主梁为单箱双室，箱梁顶宽21.5m、底宽13.5m。主墩处梁高12.5m，跨中梁高4m(见图2)，梁高按二次抛物线变化。主梁单个T构分为24对节段，0号块采用托架法施工，边跨现浇段采用落地钢管型钢支架施工，悬浇段采用挂篮施工。

图1 龙溪嘉陵江特大桥主桥桥型布置(单位：cm)

图2 跨中截面(单位：cm)

主梁预应力钢绞线采用符合GB/T 5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》标准的高强度低松弛7股钢绞线，公称直径15.2mm，抗拉强度标准值fpk=1 860MPa。预应力张拉时采取引伸量与张拉力双控，预应力筋锚下控制张拉应力为1 395MPa。纵向预应力顶、底板钢束采用φs15-17，φs15-22和φs15-27 3种规格，合龙束采用φs15-17，φs15-22 2种规格。

2 有限元模型建立

为了研究主梁悬臂施工阶段及合龙阶段不同预应力张拉顺序对梁体受力性能的影响，利用MIDAS/Civil有限元软件建立主桥施工阶段模型。采用梁单元模拟，模型共282个结点、269个单元(见图3)。通过单元、荷载及边界条件的激活钝化模拟不同施工阶段工况，全桥约分为90个施工阶段，限于篇幅，选取悬臂至1/4跨即15号节段位置(见图4)及中跨合龙阶段作为主要研究工况进行分析(见图5)。

图3 全桥计算模型

图4 悬臂施工至15号节段

图5 预应力筋模拟

3 张拉顺序方案

3.1 悬臂施工阶段预应力张拉顺序方案

在15号节段张拉的钢束共有6根，其中顶板束、腹板束各3根，对其进行编号，如图6所示。

图6 15号节段张拉钢束位置

拟采用以下几种张拉顺序方案。

1)方案1 所有钢束同时张拉。

2)方案2 先顶板束再腹板束，由外侧向中间对称张拉：1，3→2→4，6→5。

3)方案3 先腹板束再顶板束，由外侧向中间对称张拉：4，6→5→1，3→2。

4)方案4 先顶板束再腹板束，由中间向两侧对称张拉：2→1，3→5→4，6。

5)方案5 先腹板束再顶板束，由中间向两侧对称张拉：5→4，6→2→1，3。

6)方案6 由左向右依次张拉：1，4→2，5→3，6。

所有预应力张拉均为悬臂两端一次性对称张拉。

3.2 中跨合龙阶段预应力张拉顺序方案

中跨合龙钢束共有48根，其中顶板束4根、底板束40根，备用束4根，对其进行编号，如图7所示。

图7 中跨合龙钢束位置(单位：cm)

拟采用以下几种张拉顺序方案。

1)方案1 所有钢束同时张拉。

2)方案2 先底板束后顶板束，先长束再短束，由中间向两侧对称张拉：MB10′→MB10→MB9′→MB9→…→MB1(中)→MB1(边)→MT1(中)→MT1(边)。

3)方案3 先底板束后顶板束，先短束再长束，由中间向两侧对称张拉：MB1(中)→MB1(边) →MB2(中)→MB2(边)→…→MB10′→MB10→MT1(中)→MT1(边)。

合龙束单根预应力张拉方法同悬臂工况。考虑到顶板束仅4根，数量很少且较短，最后张拉顶部合龙束。通过结构试算，同一排钢束从两侧向中间和从中间向两侧对称张拉的结果基本相同，仅以前者结果进行分析。

4 计算结果对比分析

4.1 悬浇阶段计算结果

由于悬浇阶段钢束数量较少，桥梁结构对称，为了反映不同张拉顺序对主体结构受力的影响，只需对1个T构单侧节点进行分析。

不同张拉顺序中除了方案1为一次张拉到位，方案6张拉3次，其余张拉方案均需张拉4次。限于篇幅，提取悬臂端5个单元应力，之后每隔1个节段选取1个单元直至悬臂根部，计算结果如表1和图8所示。

图8 第1次张拉主梁应力

表1 第1次张拉主梁应力 MPa

由计算结果可看出，悬浇阶段不同预应力张拉方案悬臂前端影响较大，越往悬臂根部影响越小，这是由于之前节段预应力已张拉，梁已产生较大应力，前端的预应力影响相对减弱。另外，对主梁第1次张拉后，方案2，4前端下缘出现拉应力，最大达0.13MPa，其余方案主梁均处于受压状态，结构受力更合理。限于篇幅，第2～4次张拉后主梁应力状态如图9～11所示。

图9 第2次张拉主梁应力

图10 第3次张拉主梁应力

图11 第4次张拉主梁应力

由于现场施工场地及张拉设备的限制，很难做到预应力全部同时张拉到位，其计算结果仅用于对比分析。从张拉过程可看出，方案2，4在顶板束张拉完成时，主梁下缘拉应力继续增加，最大达0.23MPa。不同张拉顺序仍然呈现出前端影响较大，曲线波动较大，根部单元影响较弱曲线逐渐平直。但当所有钢束全部张拉到位后，应力曲线均接近为平直线，不同张拉顺序对结构整体应力影响很小，且所有张拉方案主梁均处于受压状态。

预应力全部张拉完成后悬臂端的位移值直接影响下个节段立模标高的确定，不同张拉顺序下，位移变化如图12所示，其中方案1为一次张拉到位，曲线为平直线。由结果可看出，随着张拉钢束的增加，方案2～5悬臂端部逐渐上升，最终位移数值与一次张拉到位基本相同，都接近2.5mm，说明不同张拉顺序对结构挠度的影响较小。

图12 悬臂端位移值

4.2 中跨合龙阶段计算结果

中跨合龙钢束数量涉及的张拉次数及关联单元均较多，由于结构对称，仅对合龙口一侧节点进行研究。每隔1个节段选取一中跨合龙钢束关联节段进行结果分析，计算结果如图13，14所示。

图13 方案2主梁张拉过程应力

图14 方案3主梁张拉过程应力

由计算结果可看出，随着钢束张拉次数的增加，主梁上缘应力整体呈现平缓增加趋势。主梁下缘应力受张拉过程影响较大：若先张拉长束，研究单元应力逐渐增加，当张拉到该单元位置钢束时，应力值会突变减小，之后应力值随着钢束的张拉继续缓慢减小并趋于平缓；相反，若先张拉短束，研究单元应力先减小，在张拉至该单元位置钢束时，应力值突变增加，之后应力值随着钢束的张拉继续缓慢增加并趋于平缓。3个方案主梁最终应力如表2所示。

表2 不同张拉方案下主梁最终应力 MPa

方案1计算结果同样仅用于对比分析，由计算结果可看出，不同张拉方案下主梁最终应力值整体相差较小，仅在接近跨中位置若先张拉长束比一次性张拉主梁下缘减小约2.1MPa压应力。且整个张拉过程中未出现拉应力，主梁始终处于受压状态。

中跨合龙后主梁线形结果将影响后期主桥调平层施工及主桥施工质量验收，不同张拉顺序下位移变化如图15所示。由结果可看出，主梁采用分批张拉比一次性全部张拉到位的挠度小，并且越往跨中节点挠度差距越大，其中先张拉短束跨中挠度减小约3mm，这是由于主桥跨中受合龙束影响较大，且跨中截面刚度较小造成。

图15 不同张拉方案下主梁位移值

5 结语

本文通过对龙溪嘉陵江特大桥主桥悬浇阶段及中跨合龙节段的预应力在不同张拉顺序下的受力计算分析得到以下结论。

1)为了减小主梁悬浇阶段产生拉应力的可能性，连续刚构直桥在悬浇阶段应先对称张拉腹板束再对称张拉顶板束。

2)中跨合龙钢束数量较多，张拉持续时间较长，分析结果表明，无论采用先张拉长束还是先张拉短束，主梁始终处于受压状态，且最终应力基本相同。但每个张拉断面横向应保证对称张拉，减少局部产生的拉应力。

3)通过中跨合龙束张拉顺序对主梁线形影响分析，先张拉短束影响相对较明显，实际施工时若合龙口标高相对于设计值偏低，可优先考虑以先张拉短束再张拉长束的方式进行调整。

本工程实际施工时，悬臂阶段采用先对称张拉腹板束再对称张拉顶板束；中跨合龙时采用先底板束后顶板束、先长束再短束的顺序张拉。通过施工过程中的监控，悬浇阶段主梁前端张拉前后位移量约为2mm，悬臂根部应力始终处于受压状态，最小压应力约6.3MPa，安全储备较大。后续类似工程可以本工程作为参考进行施工。