预应力钢筋张拉方式对刚构桥主梁变形的影响分析

预应力钢筋张拉方式对刚构桥主梁变形的影响分析

0预应力损失研究由于抗弯、剪切、扭转性能的增强，现柱箱梁被广泛应用于对结构抗弯性能要求较高的小半径曲线桥上。为了减少预测损失，提高有效预测量，通常设置多个孔和轨道，以区分预测员的工作量。然而,随着施工缝的增多,除增设连接器需增加工程成本外,因需增加工序,施工工期会延长。为在保证结构受力合理前提下,同时节约工程成本、缩短工期,研究不同张拉方式下主梁受力状况具有一定的理论意义和现实需求。对于后张法预应力混凝土构件来说,预应力损失包括5项损失。国内众多学者对比开展了相关研究工作。程寿山等以连续梁为研究对象,对预应力损失影响因素和预应力损失评估方法进行了分析,提出以变形为主要指标计算预应力损失,并结合实桥测试加以验证,指出底板预应力有20%～30%的损失,顶板预应力有40%～50%的损失,但未与规范方法进行比较分析;Barr、朱琛、王存江指出预应力钢筋的损失与混凝土的强度有关,强度越大损失越大;李准华等通过对中美几种规范计算预应力损失值分析,指出预应力钢筋的损失估计偏小将会导致桥梁内力和挠度计算的较大失真;沈成武等通过工程实例,采用遗传算法,研究了设计规范的预应力损失以外的附加损失;胡狄、袁伦一、邵旭东等分析了预应力钢筋锚固损失的算法,并与规范算法进行了比较;丁南宏等结合荷载横向分布系数概念,得到竖平面内分批张拉损失空间简化计算公式。相关文献中,关于顺桥向分段张拉对损失的影响尚未见研究,鉴于预应力钢筋损失的影响因素比较多,本文根据现行公路桥梁设计规范,结合从莞高速东莞段某匝道桥第1联3×20m的具体施工情况,保持预应力线形和张拉控制应力不变,仅改变预应力张拉方式,分析其对施工阶段主梁应力、成桥状态位移、应力、预应力损失的影响,指出缩小与原设计的有效预应力差值的方法,为同类桥梁的设计、施工制订科学合理张拉方式提供借鉴和参考。1桥梁结构分析与建模1.1下部结构桥台匝道桥全长490m,共分为5联:3×20+4×20+(25+2×40+25)+5×20+6×20m,桥宽度10.5m。上部结构为单箱双室现浇预应力混凝土连续梁,梁高1.4m,采用C50混凝土,7束ϕ15.20的预应力钢筋,抗拉强度标准值fpk=1860MPa,张拉控制应力为0.72fpk=1339.2MPa;下部结构桥台采用肋板台身,桥墩为柱式墩,基础均为桩基础。第1联平面位于缓和段为110m的左偏缓和曲线段上,纵面为3.594%,桥面横坡通过支座不同标高来实现,第1联纵、横立面见图1。第1联预应力钢束布置采用通长布置,编号为N1-1～3、N2-1～3、N3-1～3,同截面预应力钢筋张拉顺序为N2→N1→N3,钢束截面布置见图2。1.2施工缝处设备布置本桥采用满堂支架现场浇注施工。原设计图纸采用沿3#墩→0#台逐跨单端张拉预应力钢筋方案(以下称“方案1”),共布置了2道施工缝,施工缝1位于中跨距2#墩5m处,施工缝2位于左边跨距1号墩5m处,通过连接器使预应力钢筋整体受力,每道施工缝处布置了9个连接器。因本桥跨径不大,施工难度小,施工工期要求紧迫,因单联总长度超过50m,3跨整体单端张拉过长,结合结构自身特点和施工实际情况,将所有可行的方案,即先单跨后两跨单端张拉方案(以下称“方案2”)和3跨两端张拉(以下称“方案3”)作为比选方案,通过对主梁变形、应力和预应力钢筋有效应力分析,确定科学合理的施工张拉方案。1.3预应力损失的计算根据桥梁平弯、纵坡、材料、施工方案及结构实际受力,采用MidasCivil分别建立了3种方案空间有限元分析模型。为突出主要矛盾,未考虑下部结构的影响,采用相同的预应力钢筋线形,施工缝断面预应力钢筋的张拉顺序保持一致,主梁采用梁单元来模拟,满堂支架采用只受压弹簧模拟。模型共计268个节点,125个单元,2种材料属性,混凝土的强度发展按1990年欧洲混凝土规范(CEB-FIP)计算。边界条件为主梁与支座上节点为主从约束,桥梁支座用等代弹簧模拟,支座下节点采用一般刚性约束。成桥的三维有限元模型见图3。预应力损失计算参数如下:(1)因设计图纸采用塑料波纹管,管道每米局部偏差对摩擦的影响系数取0.0015,预应力钢筋与管道的摩擦系数取0.15;(2)张拉端的锚固变形按6mm计算;(3)混凝土的弹性压缩损失指由后批张拉预应力钢筋或其他作用导致混凝土弹性变形所引起的预应力损失;(4)预应力钢筋采用低松弛钢筋,松弛系数取0.3;(5)混凝土收缩和徐变按现行公路桥涵设计规范计算。施工过程对预应力损失的影响也非常大,根据各方案的特点,施工阶段模拟见表1～表3。2桥梁预测拉张法的影响分析2.1主梁变形最值的位置在不同预应力张拉方式下,主梁成桥阶段变形会产生一定的影响,各方案主梁成桥阶段变形最值及对应的位置见表4。由表4可知,与方案1相比,方案2主梁变形最值的位置相同,变形量均有所减少,最大减少百分比为10%,最大减少变形量为0.6mm;方案3变形最值的位置不同,且变形量减少较多,最大减少百分比为76%,最大减少变形量为6.6mm。2.2拉应力的影响不同预应力张拉方式下,主梁施工阶段最大拉应力及成桥阶段顶、底面应力最值及位置见表5。由表5可知,在各施工阶段主梁拉应力最值出现在99节点处主梁顶面。从方案1到方案3,拉应力逐渐减小,其中方案1、方案2拉应力分别为2.05、1.84MPa,大于C50混凝土拉应力设计值1.83MPa,在施工过程中应引起注意。在成桥阶段,3种施工方案的箱梁顶、底面应力极值发生位置比较接近,除方案3主梁顶面在67节点处主梁顶面存在最大拉应力0.17MPa外,方案1、方案2主梁顶、底面均处于受压状态,最大压应力为11.22MPa,远小于C50混凝土压应力设计值22.4MPa。2.3施工缝和钢束逆差值在不同预应力张拉方式下,主梁各预应力钢筋在成桥阶段的有效预应力值将发生变化,同编号的预应力钢筋有效预应力图形相近,仅以中腹板位置N1-2、N2-2、N3-2为例,各预应力钢筋有效预应力见图4。由图4可知,不同方案下钢束有效预应力值及分布差异很大。对于方案1,钢束有效预应力值在距桥台侧梁端14.96m(施工缝2)位置处和距桥台侧梁端34.96m(施工缝1)位置处出现突变,有效预应力值极值均发生在施工缝处。因线形布置的影响,钢束N1与钢束N2、N3最小值的位置不同,N1发生在施工缝2处,而钢束N2、N3发生在施工缝1处。对于方案2,钢束有效预应力最大值在施工缝2处,向两侧逐渐减小,在施工缝1处达到最小后逐渐增大,并在距桥台侧梁端48.75m处出现峰值,随后稳步减少至右侧梁端。对于方案3,钢束有效预应力最大值在距桥台侧梁端15m位置处,最小值在中跨跨中附近处,其有效预应力值沿中跨跨中截面呈对称分布,因张拉端存在着锚具回缩变形等瞬时预应力损失,在张拉端附近的有效预应力值均有所降低。方案2、方案3在中跨跨中截面附近处的有效预应力均低于方案1,此处抗弯性能有所降低,在设计过程中应给予关注。不同张拉方案同截面处有效预应力有一定影响,与方案1相比,不同施工方案下,各截面的有效预应力变化百分比极值见表6。由表6可知,与方案1相比,有效预应力值有增有减,且同方案下各钢束发生增减极值的位置比较接近;方案2时,钢束N1、N2、N3有效预应力变化百分比范围分别为:-5.06%～9.26%、-4.75%～9.4%、-8.55%～5.99%;方案3时,钢束N1、N2、N3有效预应力变化百分比范围分别为:-4.66%～9.61%、-4.96%～8.56%、-3.5%～7.88%。若要减少与方案1有效预应力的变化幅值,若按方案2施工时,应适当降低钢束N1、N2张拉控制应力,并适当增大钢束N3张拉控制应力;若按方案3施工时,应适当减少所有钢束张拉控制应力。3张拉方式影响预应力值根据某匝道桥的平弯、纵坡、材料及施工方案情况,建立了空间有限元模型,对不同张拉方式下影响进行了分析,分析表明:(1)在成桥阶段,方案1主梁变形值最大,方案3主梁变形值最小,变形量最大减少百分比为76%,最大减少值为6.6mm,但方案3在距桥台侧梁端31.71m处主梁顶面存在拉应力最大值为0.17MPa;方案2主梁变形最值与方案1位置相同,而变形量均有所减少,最大减少百分比为10%,最大减少值为0.6mm;(2)在施工过程中,在距桥台侧梁端46.71m处主梁顶面均出现