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预应力混凝土连续弯箱梁桥试验研究 摘要：近几年，在国内外大型立交枢纽工程中，预应力混凝土连续弯箱梁结构得到了广泛的应用。但在运营中遇到的弯箱梁弯扭变形问题也比较突出。为系统地研究该问题，本文对连续弯箱梁结构的理论进行了概述，找出了使得弯箱梁发生弯扭变形的主要影响因素。 关键词：预应力混凝土；弯箱桥梁；实验研究 1、弯箱梁桥在交通工程中的地位及发展概述 近年来随着城市现代化建设的发展，立交桥和高架桥等开始大量修建，另外在高速公路上，为了道路的衔接，也修建了很多的匝道桥。在这些桥型中，要求桥梁轴线服从线路要求，在平面上呈曲线形，以提供顺畅的交通线。另外在公路建设中，当进行公路的平、纵、横三方面综合设计时，应做到平面顺畅、纵坡均衡和横断面合理。在平面线形设计时，应考虑车辆行驶时的安全舒适，以使驾驶人员的视觉和心理反应能保持线形的连续性，并避免采用长直线等设计原则。总之，现代公路对平面线形的设计要求较高，不但要考虑行车的安全和舒适，还必须注意与周围环境相协调，以提高对美观的要求。故在公路建设中由于总体选线的需要或限于地形、地物，有些情况下也需要修建曲线桥梁，以满足交通运营要求，并节省建设投资。 弯梁桥不仅能很好地适应桥址受地形、地物限制的需要，而且由于曲线结构线条平顺、流畅、明快、意境生动，能给人们以美的享受。这样设计的桥梁结构，能使建筑美与环境美协调一致，符合人们的审美要求。 箱形截面是曲线梁桥设计中常采用的截面形式，这主要归功于箱形截面具有良好的结构性能。其主要优点是: 1)截面抗扭刚度大，结构在施工与使用过程中都具有良好的稳定性; 2)顶板和底板都具有较大的混凝土面积，能有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋的要求，适应具有正负弯矩的结构，如连续梁等; 3)适应现代化施工方法的要求，如悬臂施工法、顶推法等，这些施工方法要求截面必须具备较厚的底板; 4)承重结构与传力结构相结合，使各部件共同受力，达到经济效果，同时截面效率高。并适合预应力混凝土结构空间布束，更加收到经济效果; 5)对于宽桥，由于抗扭刚度大，跨中无需设置横隔板就能获得满意的荷载横向分布; 6)适合于修建曲线桥，具有较大适应性; 7)能很好适应布置管线等公共设施。 2、弯梁桥的受力特点 弯梁桥的受力特点是，由于曲率的影响，梁体往往既要承受竖向弯曲，又要承受横向扭转。这种弯扭互相祸合的作用，使弯桥具有以下各项受力特点： 1)由于弯扭祸合，与直桥相比，弯梁桥内外侧变形有明显的差异，弯桥外边缘的挠度大于内边缘的挠度，而且曲率半径越小越严重; 2)在直桥中，只有当荷载偏心时才产生扭转力矩，而在平面弯桥中，无论荷载偏心与否到处都有弯矩与扭转产生。甚至于支承处也承受较大的扭矩。由于扭矩作用，弯桥的外梁荷载加重，内梁减载，内外梁应力产生差别; 3)与直桥相比，弯桥的竖向支座反力有外侧变大、内侧变小的倾向在内侧支座中甚至有产生负的竖向支座反力的可能。尤其在曲率半径小，自重荷载比较小时，更容易产生负反力。故应设计合宜的下部结构或支座结构，以考虑可能出现的负的竖向支反力，这一点在连续弯梁桥中尤为重要; 4）弯箱梁在荷载作用下，将产生弯曲、扭转、畸变及翘曲四种基本变形状态。 3、弯箱梁桥预应力张拉试验研究 1)对直线梁桥而言，在主梁自重和预应力钢束作用下，由于荷载的对称性，主梁并不产生扭转和和扭转变形。但是，在弯梁桥中，自重却会产生扭转和扭转变形，而且，弯梁桥中配置的预应力钢束不仅在竖向有弯曲，同时还有着平面弯曲，预应力钢束就对梁体产生水平径向作用力，且数值相当大，所以预应力荷载作用下所产生的扭矩和扭转变形不容忽视。因此，弯梁桥中的预应力钢束，不仅要抵抗外荷载产生的弯矩及其它的内力，还要抵抗它自身产生的附加弯矩; 2)弯梁桥要考虑平面弯曲变形的影响。弯梁在预应力作用下，会在水平面内发生弯曲与仲缩使得各纵向主梁内的预加压力值不等于该主梁内预应力钢束的有效张拉值; 3)关于预应力钢束的预应力损失计算，弯梁桥也和直线梁桥存在着不同之处，这主要表现在预应力钢束的摩阻损失这一项。由于弯梁桥的预应力钢束具有双向曲率，弯梁中预应力钢束的空间转折角比同样条件下直线梁的要大，特别是当连续弯梁桥配置了“长索”时，钢束的预应力损失变得相当地可观。 预应力混凝土弯箱梁桥的预应力钢束线形大部分为空间三维曲线，具有双向曲率。预应力钢束几何线形的多样不规则性，使得弯梁桥在预应力荷载作用下的内力非常复杂。目前国内对弯梁桥的设计基本上是用梁单元来进行计算分析其受力情况和内力，对预应力钢束在梁桥内的输入也只是与其自身形状有关，而与它在梁体截面中的横向位置无关，但是，预应力钢束与弯梁的相互作用是形成了一个空间的受力体系，在预应力混凝土连续梁桥中，预应力荷载作用所产生的扭转和扭转变形是不可忽视的，预应力钢束径向力产生的扭转作用相当大，在大曲率、较大跨径的弯梁桥中，主梁组合最大扭矩值有时可达纵向最大弯矩值的50%以上。 另外对于预应力混凝土梁桥，在施工过程中，后续预应力钢束的张拉对前面已张拉的预应力钢束的影响很大，而弯箱梁桥因其曲线形状，在这一问题上表现的尤为突出;内外侧预应力荷载在弯梁体上的作用位置不同，它们对梁体所产生的内力也有很大差异。因此，在预应力混凝土连续弯箱梁桥中，预应力钢束的张拉次序对主梁受力状态等影响较大，如果预应力钢束张拉次序不当，严重的还会导致结构的破坏。 为了更好的了解弯箱梁桥在施工阶段张拉预应力筋时梁体的应力及变形变化情况，检验预应力张拉顺序的合理性，并监控弯梁桥施工阶段的结构安全性，本项目在用有限元方法对弯箱梁桥进行模拟分析的基础上，做了现场测试试验，实测了几个工况下的梁体应变和变形。这样理论分析和现场试验相结合，便于更好的把握预应力混凝土连续弯箱梁桥在施工阶段张拉预应力筋时的结构特性。 4）预应力作用分析 由于主梁的几何形状和预应力钢束的几何线形是多样的不规则的，所以弯梁桥在预应力荷载作用下的内力也是非常复杂的。预应力对桥梁结构的作用有些是有利的，而有些是有害的，如设计失误严重时预应力也可造成桥梁结构的破坏，所以分析清楚预应力对桥梁结构尤其是对更复杂的弯梁桥结构的影响是极其重要的问题。 预应力钢束与曲线梁的相互作用形成了一个空间的受力体系，在主梁竖向和水平面方向预应力钢束对主梁的作用力可简化为两种，一种是轴向压力Ny，另一种是曲线形钢束对主梁的均布力Qy。曲线预应力钢束任意一点的径向分布力Qy=Ry/R，其中Ry为当前阶段预应力钢束中的拉力，R为预应力钢束弯曲半径。 在平面内，预应力钢束随着主梁弯曲而弯曲，预应力钢束任意一点的径向分布力Qy=Ry/R，所以钢束径向力与钢束张拉力和其平曲线半径有关。可以看出曲线半径越小的桥梁，钢束产生的径向力就越大，但对具有较大半径配有大量预应力钢束的弯梁桥，也不可忽视预应力的影响。弯梁桥的预应力钢束不仅有平面弯曲同时还有沿梁高度方向的竖向弯曲，这样预应力钢束径向力的作用点总是沿梁高度方向在变化，当其作用点位于主梁截面剪切中心以上或以下时，钢束径向力就会对主梁产生扭转作用，位于截面剪切中心以上及以下的钢束径向力产生的扭转方向是相反的。两者的扭转之和构成了预应力钢束对弯梁的整体扭转作用。见图1所示，当大于时，主梁就产生向圆心方向的扭转，反之主梁则产生背离圆心方向的扭转。这样，预应力钢束就会引起弯梁的向内或向外扭转. 图1 预应力钢束径向分布力作用示意图 5）恒载作用分析对弯箱梁桥进行仿真模型分析， 计算该弯箱梁桥在恒载作用下的梁体变形值。计算模型参见图2，恒载作用模拟如下，梁体、桥墩等构造物的重量以单元自重形式计入;桥面铺装以均布荷载(面荷载)施加在梁体单元表面;防撞护栏以点荷载施加在梁体顶板单元的内外侧边缘节点(后同)。计算得到梁体变形曲线如图3所示，竖向变形如图4所示。 图2弯梁桥有限元模型 图3弯箱梁桥在恒载作用下的梁体变形曲线图(mm) 图4弯箱梁桥的竖向变形图 由于弯梁在重力荷载作用下，有向外侧倾斜的趋势，造成了一定的侧向(横桥向)位移。从图3中也可以看出，弯梁的外侧挠度要大于内侧，即梁有向外侧扭转趋势，其中边跨的扭转程度最大，有3. 2/8000=0. 0004，即0. 0230;弯梁的横桥向位移在梁端达到最大，有2mm。而在十号墩的梁端，由于直线段的影响，梁体的横向位移减小，内外侧挠度值也趋于一致。主梁的弯曲程度是影响弯箱梁桥受力特性的最重要因素，也是弯梁桥明显区别与直线桥的地方。图5和6是变更箱梁中心线的曲率半径，得到的不同情况下的梁体位移情况。 从图中的曲线看出，当弯梁的曲率半径越小，梁体向外侧的扭转就越厉害，特别是弯曲段边跨的扭转变形变化最大;弯梁向外侧的侧向位移也随着曲率半径的减小而增大，而且同样是弯曲段梁端的侧向位移变化最为明显。扭转变形和侧向位移都是当曲率半径越小，变化越为敏感的。在直线段，梁体的内外侧挠度趋于相等，表示基本无扭转情况发生，这也体现了弯梁桥与直梁桥的区别。 图5弯箱梁桥变更曲率半径时的梁体扭转曲线图(mm) 图6弯箱梁桥变更曲率半径时的梁体径向位移曲线图mm 结语： 弯梁桥与直线桥相比，在结构特性上有很多不同。另外对于预应力混凝土梁桥，在施工过程中，后续预应力钢束的张拉对前面已张拉的预应力钢束的影响很大，而弯箱梁桥因其曲线形状，且预应力束也是既有竖向的弯