某公路桥项目预应力箱梁合龙段受力及参数影响探讨

李红琴

摘要 为有效探究箱梁自重、预应力大小及张拉時机对预应力现浇箱梁受力及变形的影响，文章依托某公路桥梁施工实践，通过有限元模型，对预应力现浇箱梁合龙段的底板应力及位移变化实施模拟分析。结果显示：（1）箱梁底板跨中部位板体较薄、钢绞线布设数量较多，在交通荷载持续影响下，极易引发底板横向开裂问题。（2）适当降低底板纵向预应力能够在一定程度上降低底板拉应力，可以有效避免梁体底板裂缝。（3）箱梁结构强度达到设计值90%时实施预应力张拉，能够有效降低底板应力，防止箱梁底板开裂。

关键词 公路桥梁项目；混凝土箱梁；合龙段受力；参数分析

中图分类号U445.57文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0096-03

0 引言

预应力箱梁作为公路桥梁建设的常用结构类型，其受力形式较为复杂，特别是对于合龙施工阶段，由于预应力钢筋数量较多，箱梁高度及底板厚度不足，形成受力最不利部位，加强箱梁合龙段施工过程中的底板受力及变形分析尤为重要。为此，该文结合实际工程案例，系统分析了预应力箱梁合龙段受力及参数影响，对保证预应力箱梁施工质量，具有重要意义[1]。

1 工程概况

某公路桥梁项目总长度为7.25 km，设计时速为80 km/h，上部采用单箱单室现浇箱梁结构，支架体系为钢管桩；现浇箱梁顶板宽度为12 m，两侧悬臂长度均为2.5 m，厚度为0.26 m；底板宽度为6.0 m，厚度为0.24 m，腹板厚度为0.45 m，整体高度为2.6 m。预应力钢筋沿箱梁纵向布设，因合龙段预应力钢筋设置数量较多，箱梁高度较小，并且跨中为受力不利部位，所以该文选取合龙段与两侧梁段共计3节段实施力学性能分析。

2 模型建立

2.1 建立模型

通过ANSYS系统，构建合龙段与两侧梁段3节段的数值模型，见图1所示。模型长32.0 m，x、y方向依次代表箱梁宽度和高度，以竖直向上及水平向右为正向，向下及向左为负向。z轴表示梁体纵向，以边缘至跨中为正向。设计张拉力为1 860.0 MPa，共划分为27 845个单元，32 020个节点。混凝土及钢筋主要技术指标，见表1所示。

2.2 计算方式

利用ANSYS系统实施的模拟计算分析具体包含3个阶段，先由设计指标转化为状态指标，然后转化为目标方程，详细流程见图2所示。

3 模型分析

3.1 箱梁底板受力及变形分析

通过模拟计算得到合龙段底板及截面竖向应力变化规律，分别见图3～4所示：

从图3和图4可知：①梁体腹板内、外两侧分别承受拉力和压力作用，且拉力、压力最大值均位于该部位，因此腹板两侧极易产生裂缝。②合龙段箱梁最大拉应力、压应力分别出现在腹板内侧及外侧接近底板的部位，其值分别为1.60 MPa和0.96 MPa，在交通荷载反复影响下，若此部位箍筋布设不合理，极易引发底板开裂问题[2]。

经模拟计算得到箱梁底板中线部位纵向、横向的应力变化规律，见图5所示。从图5可知，最大横向拉力出现在底板的跨中部位，并且由跨中向两边不断减小，所以底板跨中部位容易产生裂缝[3]。

模拟得到合龙段跨中部位的竖向变形规律，见图6所示。从图6可知，底板跨中部位的变形最大，其变形量为2.72 mm。

通过上述分析可知，箱梁底板跨中部位的板体较薄、钢绞线布设数量较多，导致合龙段跨中位置产生的拉应力及竖向位移较大，形成受力最不利部位，在交通荷载持续影响下，极易引发底板横向开裂问题[4]。

3.2 箱梁底板横向受力影响因素分析

为有效探究箱梁底板横向裂缝产生原因，分别从梁体重力、预应力分布情况及预应力张拉时机三个方面进行模拟分析。

选取箱梁自重的1.0、1.1、1.2倍三种重力作用进行模拟分析，获得不同箱梁重力作用下底板横向应力的变化规律，见图7所示：

从图7可知，各种箱梁重力作用下底板横向应力呈现相同的变化趋势，并且梁体重力越大，底板横向应力越大；与1.0倍箱梁重力条件相比，1.1、1.2倍箱梁重力条件下，箱梁底板横向应力依次提升11.3%、24.2%，充分表明梁体重量增大会在一定程度上增加底板拉应力，进而增大底板开裂风险[5]。

按照0.85、0.90、0.95、1.0倍标准施加预应力作用，通过模拟计算得到各种预应力下底板横向应力的变化规律，见图8所示。

从图8可知，梁体纵向预应力0.85、0.90、0.95、1.0倍条件下，底板产生的最大横向应力依次为2.46 MPa、2.67 MPa、3.01 MPa、3.32 MPa；与1.0倍纵向预应力相比，0.85、0.90、0.95倍预应力条件下底板横向拉力下降幅度依次为25.9%、19.6%、9.3%，充分表明适当降低底板纵向预应力能在一定程度上降低底板拉应力，可以有效避免梁体底板裂缝。

选取混凝土龄期3 d、5 d、7 d、14 d及28 d条件下的箱梁进行预应力张拉，并对不同张拉龄期下的箱梁底板横向应力实施模拟分析，得到各种张拉龄期下底板及跨中部位横向应力的变化规律，分别见图9～10所示：

从图9、图10可知：①箱梁张拉龄期越大，其底板横向应力越大。②箱梁张拉龄期3 d、5 d、7 d、14 d及28 d条件下，箱梁底板横向应力依次为2.46 MPa、

2.52 MPa、2.57 MPa、2.61 MPa、2.65 MPa；与张拉龄期3 d相比，张拉龄期5 d、7 d、14 d及28 d条件下底板横向应力提升幅度依次为2.4%、4.5%、6.1%、7.7%。混凝土龄期较短时，其抗拉强度值较低，无法满足设计标准要求，因此应在箱梁结构强度达到设计值的90%时实施预应力张拉，能显著降低底板应力，避免箱梁底板开裂。

4 结语

综上所述，该文结合某公路桥梁合龙段施工实践，通过有限元模型，对预应力现浇箱梁合龙施工阶段底板应力及位移变化实施模拟分析，得出如下结论：

（1）箱梁底板跨中部位板体较薄、钢绞线布设数量较多，导致合龙段跨中位置产生的拉应力及竖向位移较大，形成受力最不利部位，在交通荷载持续影响下，极易引发底板横向开裂问题。

（2）箱梁重力越大，底板横向应力越大，与1.0倍箱梁重力条件相比，1.1、1.2倍箱梁重力条件下，箱梁底板横向应力依次提升11.3%、24.2%，充分表明梁体重量增大会在一定程度上增加底板拉应力，进而增大底板开裂风险。

（3）梁体纵向预应力越大，底板产生的横向应力越大，与1.0倍纵向预应力相比，0.85、0.90、0.95倍预应力条件下底板横向拉力下降幅度依次为25.9%、19.6%、9.3%，充分表明适当降低底板纵向预应力能在一定程度上降低底板拉应力，有效避免梁体底板裂缝。

（4）箱梁张拉龄期越大，其底板横向应力越大；混凝土龄期较短时，其抗拉强度值较低，无法满足设计标准要求，因此应在箱梁混凝土强度达到设计值的90%时实施预应力张拉，以有效降低底板应力，防止箱梁底板开裂。

参考文献

[1]张宏武， 王晓峰. 预应力混凝土刚构-连续组合梁桥施工线形控制方法探究[J]. 建筑机械， 2023（11）： 36-40.

[2]王振忠. 高墩大跨预应力混凝土连续梁合龙段施工技术[J]. 建筑机械， 2023（9）： 50-53.

[3]张景辉. 转体桥合龙段混凝土纵向开裂控制研究[J]. 公路， 2023（4）： 207-212.

[4]张万朋， 刘文， 张文学， 等. 连续梁桥合龙段混凝土纵向裂缝成因分析及改善措施[J]. 公路交通科技， 2022（12）： 86-93.

[5]王俊强. 预应力混凝土连续箱梁挂篮施工工艺[J]. 交通世界， 2022（34）： 143-145.