潤揚(yáng)大橋世業(yè)洲互通d匝道橋預(yù)應(yīng)力張拉方案研究

潤揚(yáng)大橋世業(yè)洲互通d匝道橋預(yù)應(yīng)力張拉方案研究

預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序目前，現(xiàn)代道路和城市道路交叉口的曲線梁橋數(shù)量逐年增加，應(yīng)用非常普遍。尤其在互通式立交的匝道橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用更為廣泛。預(yù)應(yīng)力混凝土彎箱梁橋,其預(yù)應(yīng)力鋼束的線形大部分為空間三維曲線,具有雙向曲率,這使得彎箱梁橋在預(yù)應(yīng)力作用下的內(nèi)力分析較為困難。目前國內(nèi)對彎箱梁橋仍多采用梁單元來進(jìn)行分析,一般不考慮預(yù)應(yīng)力鋼束在梁截面上的橫向位置。由于彎箱梁的曲線形式,預(yù)應(yīng)力作用會(huì)產(chǎn)生與彎橋的曲率半徑大小直接相關(guān)的徑向水平分力、扭矩和扭轉(zhuǎn)變形,而由于內(nèi)側(cè)腹板中鋼束的平面半徑比外側(cè)的平面半徑小,其空間長度和空間彎角及孔道摩阻損失不同。另外,后續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉對前面已張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束也有較大影響。因此,相同的張拉控制力,內(nèi)外側(cè)預(yù)應(yīng)力鋼束在梁體上產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效果就不同。由于內(nèi)外側(cè)預(yù)應(yīng)力對彎箱梁梁體所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形存在很大差異,所以預(yù)應(yīng)力施工過程中,對于彎箱梁不能簡單地套用直箱梁的兩側(cè)對稱張拉方式。若預(yù)應(yīng)力鋼束張拉的先后順序掌握不好,可能會(huì)導(dǎo)致彎箱梁在施工階段出現(xiàn)過大的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,嚴(yán)重的可能引起箱梁側(cè)向開裂甚至破壞。因此對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次序進(jìn)行研究很有必要。本文以潤揚(yáng)長江公路大橋世業(yè)洲互通匝道實(shí)際工程為研究背景,采用大型有限元分析軟件Ansys建立相應(yīng)的有限元模型,結(jié)合實(shí)際施工情況,提出幾種典型的預(yù)應(yīng)力張拉方案,在分析模型上進(jìn)行模擬張拉,通過比較幾種不同的張拉次序下結(jié)構(gòu)的響應(yīng),提出曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束較合理的張拉次序,對于類似的彎箱梁橋的建設(shè)也有重要的參考價(jià)值。1元模型的構(gòu)建1.1下部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)潤揚(yáng)長江公路大橋世業(yè)洲互通D匝道橋,平面曲率半徑R=60m。該橋上部結(jié)構(gòu)跨徑為4×32.604m,四跨一聯(lián)。橋?qū)?.66～8.75m,橋長130.417m。采用單箱單室截面。梁高210cm,頂、底板厚25cm,跨中及支座附近腹板厚度為40cm和60cm。下部結(jié)構(gòu)采用200cm×382cm的矩形墩。從0號(hào)到4號(hào)橋墩,橋墩高度依次為34.952m,36.089m,37.211m,38.071m,38.243m。對于橋墩支座,1～3號(hào)橋墩內(nèi)外側(cè)支座皆設(shè)置為固定支座;0號(hào)和4號(hào)橋墩外側(cè)支座設(shè)置為單向支座,內(nèi)側(cè)支座設(shè)置為雙向支座。固定支座要求墩梁對應(yīng)節(jié)點(diǎn)上各方向均不發(fā)生相對位移;單向支座要求墩梁對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的徑向及豎向變形一致;雙向支座只要求墩梁對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的豎向變形一致。該橋上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土,下部結(jié)構(gòu)墩身采用C30混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用符合ASTMA:416-92a的15.24mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線。1.2預(yù)應(yīng)力加載方法潤揚(yáng)長江公路大橋世業(yè)洲互通D匝道橋的有限元建模采用Ansys提供的實(shí)體單元SOLID95來模擬混凝土材料,采用三維桿單元LINK8進(jìn)行模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋。在有限元中,常用的預(yù)應(yīng)力加載有等效力法和等效應(yīng)變法兩種形式。本文根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對預(yù)應(yīng)力損失作出的各項(xiàng)規(guī)定,計(jì)算得出各種因素造成的預(yù)應(yīng)力損失。將張拉應(yīng)力扣除各種預(yù)應(yīng)力損失便得到有效預(yù)應(yīng)力。而后利用等效降溫法進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力的施加。等效降溫法的計(jì)算公式為:T=σEδΤ=σEδ式中:T為施加的溫度;σ為有效預(yù)應(yīng)力;E為預(yù)應(yīng)力鋼束彈性模量;δ為預(yù)應(yīng)力鋼束的線脹系數(shù)。1.3非線性桿件單元該匝道橋的箱梁施工順序?yàn)?由4號(hào)墩向0號(hào)墩方向逐跨進(jìn)行施工,箱梁采用滿堂支架施工。有限元模型中必須實(shí)現(xiàn)對梁體下部支撐即支架的模擬。支架在支撐梁體時(shí),只可承受壓力而不可承受拉力,針對支架表現(xiàn)出的這種拉壓異性的特點(diǎn),考慮采用非線性桿單元進(jìn)行模擬。這種單元可以通過一些單元性質(zhì)設(shè)定,將其設(shè)定為單向受力桿件。采用這種單元進(jìn)行分析時(shí),需要將其和上部梁體建立耦合聯(lián)結(jié)。當(dāng)其受壓時(shí),和普通線性桿件一樣,而當(dāng)其軸力大于零時(shí),它會(huì)出現(xiàn)斷裂,不再參與結(jié)構(gòu)受力。本文采用LINK10單元,將該單元的初應(yīng)變值設(shè)為大于1,參數(shù)KEYOPT(3)=1,則該單元可以模擬只能承受壓力的支架。2張拉預(yù)應(yīng)力束張拉控制的縱向應(yīng)力預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖3所示,將所有預(yù)應(yīng)力鋼束分為內(nèi)側(cè)預(yù)應(yīng)力鋼束和外側(cè)預(yù)應(yīng)力鋼束兩部分,共18根,其中“張拉束”為第一施工階段(即圖2中4號(hào)墩至施工縫之間梁段)所需張拉的鋼束,即本文研究對象,“通過束”為本施工階段不需張拉的鋼束。施工過程中采用的是一次張拉一束預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉工藝,依次“張拉束”進(jìn)行張拉。經(jīng)計(jì)算分析,得到單獨(dú)張拉各預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)箱梁頂板、底板縱向應(yīng)力曲線圖,如圖4所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:(1)單獨(dú)張拉內(nèi)側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束,頂板內(nèi)側(cè)絕大多部位(除施工縫附近外)處于受壓狀態(tài),跨中部位的壓應(yīng)力大于梁兩端的壓應(yīng)力;頂板外側(cè)則基本上處于受拉狀態(tài),施工縫附近的頂板外側(cè)拉應(yīng)力較大,其余部位拉應(yīng)力較小且變化幅度小;底板內(nèi)側(cè)基本上處于受壓狀態(tài);底板外側(cè)局部受拉,最大拉應(yīng)力為0.519MPa。(2)單獨(dú)張拉外側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束,頂板內(nèi)側(cè)基本上處于受拉狀態(tài),施工縫附近的頂板內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力較大,其余部位拉應(yīng)力較小且變化幅度小;頂板外側(cè)絕大多部位(除施工縫附近外)處于受壓狀態(tài),跨中部位壓應(yīng)力大于梁兩端壓應(yīng)力;底板內(nèi)側(cè)局部受拉,最大拉應(yīng)力為0.501MPa;底板外側(cè)基本處于受壓狀態(tài)。(3)單獨(dú)張拉內(nèi)側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力鋼筋在外側(cè)頂?shù)装瀹a(chǎn)生的縱向應(yīng)力的變化規(guī)律與單獨(dú)張拉外側(cè)某一根預(yù)應(yīng)力鋼筋而在內(nèi)側(cè)頂?shù)装瀹a(chǎn)生的縱向應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致。數(shù)值上,頂板內(nèi)外側(cè)之間的應(yīng)力差別大于底板內(nèi)外側(cè)之間的應(yīng)力差別。(4)單獨(dú)張拉同一側(cè)的不同預(yù)應(yīng)力鋼束在頂?shù)装瀹a(chǎn)生的應(yīng)力的差別很小(施工縫處除外)。由上述分析可知,若僅張拉一束預(yù)應(yīng)力束,不同預(yù)應(yīng)力束張拉產(chǎn)生的縱向應(yīng)力總體上而言差別較小。為了進(jìn)一步分析,取不同預(yù)應(yīng)力束張拉在頂?shù)装瀹a(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力進(jìn)行比較。由圖5(a)和圖5(b)可以看出,單獨(dú)張拉外側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束在頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)產(chǎn)生的縱向應(yīng)力最大值均遠(yuǎn)大于相應(yīng)頂?shù)装逋鈧?cè)縱向應(yīng)力最大值;與此對應(yīng),當(dāng)單獨(dú)張拉內(nèi)側(cè)某一束預(yù)應(yīng)力束時(shí),頂?shù)装逋鈧?cè)的縱向應(yīng)力最大值均遠(yuǎn)大于頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)的縱向應(yīng)力最大值。單獨(dú)張拉某根預(yù)應(yīng)力束時(shí),頂板產(chǎn)生的縱向應(yīng)力最大值均大于底板產(chǎn)生的縱向應(yīng)力最大值。單獨(dú)張拉14號(hào)預(yù)應(yīng)力束時(shí),頂板外側(cè)縱向應(yīng)力最大值為1.147MPa,為單獨(dú)張拉不同預(yù)應(yīng)力束時(shí)頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力最大值;單獨(dú)張拉2號(hào)預(yù)應(yīng)力束時(shí),頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力最大值為0.861MPa,小于單獨(dú)張拉其他預(yù)應(yīng)力束時(shí)所產(chǎn)生的頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力最大值。由上述可知,第一步先單獨(dú)張拉2號(hào)預(yù)應(yīng)力筋將在頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)產(chǎn)生相對較小的縱向應(yīng)力值。因此建議第一束張拉束選取為2號(hào)束。當(dāng)確定第一束張拉束選取為2號(hào)束后,接下來考慮的是第二束張拉束的選取。有兩種可選方案:(1)選取與2號(hào)束同一側(cè)的預(yù)應(yīng)力束,即某一外側(cè)束;可供選擇的預(yù)應(yīng)力束有4號(hào)束、7號(hào)束、8號(hào)束;(2)選取另一側(cè)的預(yù)應(yīng)力束,即某一內(nèi)側(cè)束?？晒┻x擇的有11號(hào)束、14號(hào)束、15號(hào)束、18號(hào)束。經(jīng)計(jì)算,得到如下不同張拉預(yù)應(yīng)力束時(shí)頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)最大縱向應(yīng)力,如圖6(a)和圖6(b)所示。上述兩圖中,2&4對應(yīng)的結(jié)果為先張拉2號(hào)束再張拉4號(hào)束的最大縱向應(yīng)力,其余含義類似。由圖6(a)和圖6(b)可以看出,當(dāng)?shù)诙鴱埨x取為與2號(hào)束同一側(cè)的預(yù)應(yīng)力束時(shí),其在頂板內(nèi)側(cè)、底板內(nèi)側(cè)以及底板外側(cè)所產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力值均遠(yuǎn)大于張拉束選取為內(nèi)側(cè)束時(shí)所產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)力值。當(dāng)?shù)诙鴱埨x取為內(nèi)側(cè)束時(shí),不同的張拉束在頂板內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力比較接近,而在底板內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力變化相對較大。比較而言,第二束張拉束選為18號(hào)預(yù)應(yīng)力束更為合理。綜合上面的分析可知,在張拉過程中可以遵循一定的規(guī)律,先張拉外側(cè)鋼束后張拉內(nèi)側(cè)鋼束以及上下對稱張拉。在確定前兩束張拉束依次為2號(hào)束和18號(hào)束的基礎(chǔ)上,依據(jù)上述張拉規(guī)律,在確定后續(xù)六束張拉束時(shí)可考慮如下六種可能的張拉方案:在方案一至方案六的各個(gè)方案中,第一束鋼束表示的是總的張拉順序中第三束將被張拉的鋼束。在第一束、第二束張拉束分別選取為2號(hào)束、18號(hào)束的基礎(chǔ)上,以上各方案皆把將進(jìn)行張拉的第三束預(yù)應(yīng)力束選取為與2號(hào)束同在一側(cè)的外側(cè)預(yù)應(yīng)力束。為比較各種不同選取方式的差異,現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果例于表2。由表2可見,當(dāng)?shù)谌鴱埨x取為4號(hào)束、7號(hào)束或8號(hào)束時(shí),頂板內(nèi)外側(cè)的最大縱向應(yīng)力都是拉應(yīng)力,同一側(cè)各個(gè)最大值之間的差值很小。將不同選取方式下頂板內(nèi)側(cè)最大縱向應(yīng)力值進(jìn)行比較,當(dāng)選取8號(hào)束時(shí),頂板內(nèi)側(cè)的最大縱向應(yīng)力為0.339MPa,該值為不同選取方式下頂板內(nèi)側(cè)的最大縱向應(yīng)力;當(dāng)選取7號(hào)束時(shí),頂板內(nèi)側(cè)的最大縱向應(yīng)力為0.296MPa,該值為不同選取方式下頂板內(nèi)側(cè)的最小縱向應(yīng)力。上兩值之間僅相差0.043MPa。各種不同的選取方式下,當(dāng)選取8號(hào)束時(shí),底板內(nèi)外側(cè)的最大值皆為負(fù)值,這表明底板內(nèi)外側(cè)沿橋長方向整體處于受壓狀態(tài);當(dāng)選取4號(hào)束或7號(hào)束時(shí),僅底板內(nèi)側(cè)處于受壓狀態(tài),底板外側(cè)仍將出現(xiàn)拉應(yīng)力,而且最大拉應(yīng)力達(dá)0.307MPa。綜上所述,將第三束張拉束確定為8號(hào)束比較合理。因此,在方案一至方案六中,選取方案一和方案二繼續(xù)進(jìn)行討論,而將方案三至方案六淘汰。按照方案一和方案二中所布置的張拉順序,一束預(yù)應(yīng)力束的張拉對應(yīng)Ansys中的一個(gè)荷載步,分別計(jì)算兩種方案下頂?shù)装鍍?nèi)外側(cè)縱向應(yīng)力值。因方案一和方案二的前四束預(yù)應(yīng)力鋼束采取一樣的張拉順序,故僅取后四束預(yù)應(yīng)力的張拉結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果如表3所示,可以看出:(1)在后四束預(yù)應(yīng)力束的張拉過程中,方案一和方案二中的頂板內(nèi)外側(cè)的最大縱向應(yīng)力皆為拉應(yīng)力,而最小縱向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力。此說明頂板內(nèi)外側(cè)某些部位受拉而某些部位受壓。(2)在后四束預(yù)應(yīng)力束的張拉過程中,方案一和方案二中的底板內(nèi)外側(cè)的最大縱向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力,而最小縱向應(yīng)力亦皆為壓應(yīng)力。這說明底板內(nèi)外側(cè)整體處于受壓狀態(tài)。(3)第五束、第六束以及第七束張拉束選取不同的預(yù)應(yīng)力束,張拉后的結(jié)果會(huì)有所不同,最大縱向應(yīng)力絕對值很小,且彼此之間的差別亦非常小。最大的差值發(fā)生在方案一中第五束張拉束選取為4號(hào)束在頂板外側(cè)產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力為0.188MPa,而方案二中第五束張拉束選取為7號(hào)束相應(yīng)的最大縱向應(yīng)力為0.162MPa,差值僅為0.026MPa;底板的最小縱向應(yīng)力絕對值比較大,且彼此之間的差別相對較大。最大的差值發(fā)生在方案一中第五束張拉束選取為4號(hào)束在底板外側(cè)產(chǎn)生的最小縱向應(yīng)力為-6.535MPa,而方案二中第五束張拉束選取為7號(hào)束相應(yīng)的最小縱向應(yīng)力為-7.545MPa,差值達(dá)到1.01MPa。(4)隨著總體張拉鋼束數(shù)量的增加,不同方案之間的應(yīng)力結(jié)果差異減小,例如方案一和方案二中第五束、第六束的應(yīng)力結(jié)果差異大于方案一和方案二中第七束的應(yīng)力結(jié)果差異。當(dāng)張拉完所有的預(yù)應(yīng)力鋼束后,不同方案間的應(yīng)力結(jié)果相同。綜合比較,方案二稍優(yōu)于方案一,因此建議對于潤揚(yáng)大橋世業(yè)洲互通D匝道橋第一施工階段預(yù)應(yīng)力的張拉采取先張拉2號(hào)束,而后依次張拉18號(hào)束、8號(hào)束、11號(hào)束、7號(hào)束、14號(hào)束、4號(hào)束、15號(hào)束的張拉順序。施工過程中預(yù)應(yīng)力鋼束建議張拉次序見表4。3張拉位置的選擇張拉布置在腹板上的預(yù)應(yīng)力鋼束,會(huì)影響彎箱梁橋的曲率,且不同位置的鋼束對梁體的影響不同,張拉布置在內(nèi)側(cè)腹板上的預(yù)應(yīng)力鋼束會(huì)增加彎箱梁橋的曲率,而張拉位于外側(cè)腹板上的預(yù)應(yīng)力鋼束則會(huì)減小彎箱梁橋的曲率。對于布置于同一截面上的預(yù)應(yīng)力鋼束,通過計(jì)算結(jié)果分析可知,在橫截面上張拉這些預(yù)應(yīng)力鋼束首先應(yīng)盡量保證內(nèi)、外側(cè)腹板上已張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束接近相等。在豎向上,建議根據(jù)曲率半徑選擇張拉束,即:曲率半徑大的彎箱梁,建議先張拉中間的鋼束,再張拉其上下的鋼束;當(dāng)彎橋曲率較小時(shí),建議先張拉外側(cè)頂板鋼束。通過上述有限元計(jì)算與理論分析,可以概括為“先外后內(nèi),對稱均衡”的張拉次序。4外側(cè)鋼束預(yù)應(yīng)力本文以潤揚(yáng)大橋世業(yè)洲互通D匝道橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了連續(xù)曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次序問題。經(jīng)計(jì)算分析,得出以下結(jié)論:(1)為了利用預(yù)應(yīng)力抵消外荷載產(chǎn)生