简支变连续梁桥预应力张拉横向施工顺序

王 涛

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011)

随着国家交通运输水平的不断提升,公路桥梁面临着结构安全性高、施工污染小、工期时间短、桥面平整性好等更高质量的要求。传统的简支梁桥有着结构形式简单、施工便捷的特点,但节段间的伸缩缝会影响桥面的整体平整性,进而导致行车舒适性的下降[1,2]。在简支梁桥中采用连续桥面可以提升平整性,但无法避免负弯矩区混凝土受拉开裂问题[3]。近年来,随着预应力技术的发展,简支变连续梁桥结构形式在桥梁领域中得到了越来越多的应用。简支变连续梁桥的主梁在工厂内预制,然后在现场进行架梁、湿接缝浇筑、负弯矩区预应力张拉和临时支座拆除等工艺,最终完成桥梁结构体系由简支形式朝连续梁形式的转变[4,5]。简支变连续梁桥兼顾了简支梁桥施工简单和现浇梁桥整体性能好的优点,工厂预制主梁减少了现场施工工作量并大大缩减工期,负弯矩区的预应力张拉可以有效抑制顶面混凝土的受拉开裂。

研究依托G237(S203淮六路)五里郢至青龙山段改建工程,三岔河桥为既有桥梁拆除后改建,采用的是简支变连续结构体系。简支变连续桥梁结构施工过程中,负弯矩区预应力张拉会引起桥梁结构受力体系的转换,引起结构的内力重分布,不同的预应力张拉施工顺序,会使结构产生不同的变形和内力[6,7]。已有简支变连续梁桥的预应力张拉施工顺序研究,大多针对桥梁纵向的预应力张拉顺序研究[8,9]。三岔河桥共有三跨,每跨横向共9片小箱梁,预应力张拉的横向施工顺序对桥梁结构的变形和内力影响较大。因此,利用有限元软件对三岔河桥梁结构进行有限元精确建模,对每跨9片箱梁及湿接缝定义不同施工阶段、预应力分组,研究不同的预应力张拉的横向施工顺序对结构变形、受力性能的影响,找到对工程有指导意义的施工顺序。

1 数值模型建立

1.1 结构参数

三岔河桥为既有桥梁拆除后改建,桥梁中心桩号为K3+004,交叉角度为60°。所建桥梁上部结构采用先简支后连续预制预应力混凝土箱梁,下部结构采用柱式桥墩,桩基础。桥梁横向截面图,桥面为双面横坡,桥梁每跨横向共9片小箱梁,梁高1.8 m,共计27片。箱梁内的纵向预应力筋有顶板束、腹板束和底板束三类,采用的配筋形式有5φs15.2 mm、4φs15.2 mm和3φs15.2 mm三种截面尺寸规格,其中顶板束共7个孔道,腹板束和底板束共10个孔道。下部结构采用柱式墩台,全桥桩基础均为1.6 m,共计20根,桥墩直径1.5 m。采用矩形混凝土盖梁,盖梁高度1.5 m,宽度1.8 m。

数值建模相关参数:(1)混凝土:预制箱梁、横隔梁和湿接缝的混凝土型号均为C50;(2)普通钢筋:HPB300钢筋的直径有8 mm和10 mm两种截面尺寸规格,HRB400钢筋的直径有12、16、20、22、25、28 mm六种截面尺寸规格;(3)预应力筋:低松弛高强度钢绞线,抗拉强度标准值为fpk=1 860 MPa,公称直径为d=15.2 mm。

1.2 空间梁单元

di=[μi,vi,wi,θxi,θyi,θzi]T

(1)

Fi=[Ni,Qyi,Qzi,Mxi,Myi,Mzi]T

(2)

式中:下标i和j为梁单元的左右节点号;上标T为对向量采取转置操作;μi,vi,wi分别为空间坐标系x、y和z方向的平动位移;θxi,θyi,θzi分别为空间坐标系x、y和z轴的转角位移;Ni对应坐标系x方向的轴向力;Qyi,Qzi分别为空间坐标系y和z方向的切向力;Mxi,Myi,Mzi分别为空间坐标系x、y和z轴的弯矩。采用三次项的位移产值函数构造节点位移向量,长高比较大故忽略剪切变形,对梁单元刚度矩阵进行整合、坐标转化操作,即可得到整体空间梁刚度矩阵用于简支变连续梁桥结构的有限元分析。

1.3 有限元模型

利用有限元软件进行连续梁桥模型建模以及简支变连续施工阶段的定义,这里主要进行桥梁上部结构实体梁模型建立,将桥墩、盖梁当成箱梁下部的一般支承,一般支承上设置弹性连接以模拟支座,将支座与箱梁上节点刚性连接以对上部结构施加约束。图1是桥梁结构模型图,由图1可知该连续梁桥共有三跨,每跨横向架设9片箱梁。桥梁上部结构采用空间梁单元建模,整个模型包含箱梁、预应力钢束、一般支承、弹性连接和刚性连接,共1 540个节点,1 502个单元。依据实际施工过程主要定义4个施工阶段:(1)现场架梁,对应箱梁的厂内预制、正弯矩预应力张拉、现场架设阶段;(2)湿接缝浇筑,对应现场不同跨箱梁之间的湿接缝浇筑、横隔梁浇筑阶段;(3)预应力张拉,对应现场箱梁顶板处负弯矩区的预应力张拉;(4)支座转换,对应现场的临时支座拆除,永久支座投入使用。

图1 桥梁结构模型图

2 数值模拟分析

2.1 不同施工阶段桥梁内力分析

湿接缝浇筑与负弯矩预应力张拉是简支变连续梁桥施工的关键步骤,不同施工方式、施工顺序对应着结构不同的内力、变形情形。为保证在简支变连续体系转换过程中桥梁结构应力、挠度变化均匀,避免结构湿接缝连接处等关键位置发生开裂,需要制定合理的湿接缝浇筑与负弯矩预应力张拉顺序。现场简支变连续梁桥上部结构的湿接缝浇筑,通常采用箱梁横向连接、端部连接一次性浇筑的方式;负弯矩预应力张拉,通常是等湿接缝混凝土强度达到一定强度后,分批次张拉。所有负弯矩预应力一次性张拉完成,是最理想的预应力张拉工况。理想预应力张拉工况可以在仿真软件中进行模拟,作为后续不同预应力张拉工况的比对模板。在数值分析过程中定义现场架梁、湿接缝浇筑、预应力张拉、支座转换共四个施工阶段,图2给出了四个施工阶段的桥梁弯矩分布图。

图2 不同施工阶段桥梁结构弯矩图(单位:kN·m)

对不同施工阶段桥梁内力分布结果进行分析,探讨简支变连续梁桥结构体系转换不同阶段的内力分析情形。现场架梁阶段,各个混凝土小箱梁均在工厂内预制,正弯矩预应力张拉在混凝土强度达到90%时进行,预紧力会引起箱梁上拱产生负弯矩;小箱梁架设在现场临时支座的上面,结构形式为简支梁,内力依旧呈现总体负弯矩的情形,且由于约束情形不同,边跨内力要比中间跨内力大。湿接缝浇筑阶段,进行箱梁纵向、横向湿接缝、横隔梁连接,桥梁上部结构逐渐形成整体;此时结构依旧位于临时支座上面,结构形式为简支形式。预应力张拉阶段,进行不同跨小箱梁端部的负弯矩预应力张拉,在支座位置处产生较大正弯矩,箱梁顶部混凝土承受压应力。支座转换阶段,进行临时支座的拆除,激活永久支座,桥梁结构完成了由简支梁体系到连续梁体系的结构体系转换;每跨主梁均在中间位置产生负弯矩,两端位置产生正弯矩,以抵抗后续桥面二期荷载以及运营车辆荷载。

2.2 不同预应力张拉工况

考虑到现场简支变连续梁桥上部结构箱梁湿接缝通常采用一次性浇筑的方式,负弯矩预应力张拉待混凝土强度达到一定强度后采用分批次张拉的方式。三岔河三跨梁桥每跨9片小箱梁,横向长度较长,由于上部结构横向已经连接成整体,不同负弯矩预应力张拉次序必然会对横桥向的其他箱梁的应力、变形造成一定影响。采用合理的预应力张拉顺序,能够有效减小施工成本、缩短施工工期、提高结构强度。有必要进行负弯矩预应力张拉顺序研究分析,探讨不同张拉工况下桥梁结构关键部位的内力、变形情况。研究的简支变连续梁桥共有三跨,在中间两个桥墩处有两个纵向端部湿接缝,每个湿接缝对应9片小箱梁。这里主要研究预应力张拉横桥向施工顺序,所以取一个中间桥墩上的9片小箱梁端部预应力张拉进行研究,另一个中间桥墩上的端部预应力张拉与该桥墩张拉顺序一致。对横桥向的小箱梁顶板端部预应力钢束编号,该编号也对应不同的支座位置,以方便定义不同的预应力张拉施工工况。共定义三个预应力张拉横桥向施工工况:顺序张拉、间隔张拉和对称张拉,每个工况均按步骤顺序施工。

(1)顺序张拉:步骤一,张拉1#、2#、3#端部负弯矩预应力;步骤二,张拉4#、5#、6#端部负弯矩应力;步骤三,张拉7#、8#、9#端部负弯矩预应力。

(2)间隔张拉:步骤一,张拉1#、2#、5#、8#、9#端部负弯矩预应力;步骤二,张拉3#、4#、6#、7#端部负弯矩预应力。

(3)对称张拉:步骤一,张拉1#、2#、8#、9#端部负弯矩预应力;步骤二,张拉3#、4#、6#、7#端部负弯矩预应力;步骤三,张拉5#端部负弯矩预应力。

不同预应力张拉横桥向施工工况会引起不同的端部梁顶板、底板应力,表1～表3给出了不同工况、不同步骤情形下,不同端部位置处梁顶板、底板的应力数值。由表中数值可知,当湿接缝混凝土选择一次性浇筑时,不同预应力张拉顺序工况下,各片梁端部顶板、底板处最终的主应力数值区别较小,均能够保证较好的应力储备以抵抗后续二期荷载和运营车辆荷载作用。观察各个工况情形下,不同步骤中不同位置的顶板、底板应力数值,可以发现在某片梁端部进行负弯矩预应力张拉是会影响周边梁的内力分布。此外,从各片梁端部内力数值的连续性角度出发,即保证相邻箱梁端部内力数值较为接近,工况三的表现最好。所以,在湿接缝混凝土选择一次性浇筑的情况下,推荐采用对称张拉的横桥向施工顺序,可以保证较好的横向梁端内力连续性。

表1 工况一情形下支座端部处主梁应力数值

表2 工况二情形下支座端部处主梁应力数值

表3 工况三情形下支座端部处主梁应力数值

3 结 论

为研究简支变连续梁桥预应力横向张拉顺序对结构体系转换时内力、变形的影响,依托工程实际进行一个三跨(每跨9片小箱梁)简支变连续梁桥的有限元建模,依据不同的预应力张拉工况定义不同施工阶段,对不同工况的结构内力、变形计算结果进行分析,具体得到以下结论。

(1)简支变连续梁桥经过湿接缝连接、负弯矩张拉和支座转换步骤,完成结构体系由简支梁到连续梁的结构形式转换,在跨中产生负弯矩并在端部产生正弯矩以抵抗后续运营荷载作用。

(2)从最终成桥时的支座处主梁内力数值角度来看,不同预应力横向张拉施工顺序对内力大小影响不大,均能为简支变连续梁桥提供较好的应力储备。

(3)为保证每跨各片箱梁端部内力的横向连续性,在湿接缝混凝土选择一次性浇筑的情况下,推荐采用对称张拉的横桥向施工顺序。