[12-11 17:00:46] 来源：http://www.tmgc8.com 桥梁工程 阅读：3646次
摘 要 利用有限元建模方法对重庆某特大预应力混凝土连续刚构桥施工过程中箱梁腹板出现水平裂缝问题进行了研究，指出三向预应力钢束的施工顺序对箱梁腹板的竖向正应力有影响，并确定了可行方案，提出了预防施工阶段腹板出现水平裂缝的措施。
关键词 连续刚构箱梁桥；腹板；竖向正应力；预应力钢束；张拉顺序
中图分类号 U448.213 文献标识码：A
Study on horizontal stress on the web in construction of prestressed box-girder
Hao Fu-jun Lu Wei-wei He Hua-gang
(Sschool of Ccivil Eengineering & Aarchitecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)
Abstract: on the basis of horizontal crack on the web in construction of prestressed box-girder of a long-span continuous rigid frame bridge,analysised the probable reason that produced the cracks. Established the spacial units model by using finite element software.Analysised the impact of the two prestressed steel tension plan on the vertical stress.Choose the better one for the bridge.
Key words: continuous rigid frame bridge; box-girder; web; vertical; stress.
在国内外大跨径预应力连续梁桥或连续刚构桥中，箱梁几乎全部采用三向预应力结构、悬臂浇筑施工方法。通常三向预应力钢束的施工一般为每个梁段浇筑完成达到强度后即先张拉纵向预应力钢束，随后张拉横、竖向预应力钢束。刘昌鹏[1]等在苏通大桥辅桥连续刚构桥箱梁预应力施工中对横、竖向预应力钢束空间效应进行了研究，提出了横、竖向预应力钢束滞后一个箱梁施工阶段张拉的施工方案，使得由横、竖向预应力钢束产生的预应力在梁段内能够均匀分布；廖小文[2]通过有限元法模拟了纵、横、竖向预应力的空间效应，并分析了三向预应力联合效应，得出了宽箱梁的预应力钢束的空间效应特点；钟新谷[3]等利用有限元分析和差分理论推导得出了箱梁竖向预应力作用下的腹板应力场，为了解竖向预应力钢束的作用效应提供了理论依据。按照张拉纵、横、竖向预应力钢束的张拉顺序研究三向预应力钢束对腹板的竖向正应力研究很少。本文根据某大跨径连续刚构桥施工过程中出现的腹板水平裂缝的情况，建立空间有限元模型，分析了纵向预应力钢束和竖向预应力钢束张拉顺序对腹板竖向正应力的影响，提出了合理的施工方案，并给出了避免产生腹板施工期间水平裂缝的预防措施。
1 工程概况
以重庆某特大连续刚构桥主桥结构为三跨预应力混凝土变截面单箱单室截面连续刚构桥，主桥全长522m，跨径为138.5+245+138.5m的大跨径预应力连续刚构桥，每个T构共设35个对称梁段。箱梁顶板宽度为16.75m，箱梁底宽8.5m；根部梁高15.3m，跨中截面梁高4.5m。全桥在主墩顶部、跨中和边跨支座截面设置横隔板，箱梁底缘曲线为1.5次抛物线，底板厚度从箱梁根部截面的60cm过渡到合拢段截面的32cm，按二次抛物线变化，在2#，3#两个中墩上墩与梁固结，其余两桥墩上设置滑动支座。在施工中，腹板出现了水平裂缝。针对这一问题，研究中建立了有限元模型，对其进行了数值模拟，以分析竖向预应力、纵向预应力张拉顺序对桥梁腹板竖向正应力的影响。
2 计算结果及分析
2.1 产生裂缝的原因分析
由于腹板水平裂缝出现在预应力钢束张拉后，故产生腹板水平裂缝首先可能与张拉预应力钢束顺序有关；由于混凝土的收缩影响，会引起早期的收缩裂缝，故产生裂缝也可能与混凝土收缩有关；也可能是上述二者共同作用的结果。研究中通过建立模型分析具体原因。由于裂缝为沿着腹板的水平裂缝，故在分析时仅分析了腹板位置的竖向正应力的分布情况。
2.2 有限元建模
本桥用三维有限元软件进行模拟计算，主梁和墩采用空间八节点实体单元进行模拟，预应力钢束采用杆单元模拟。为了简化建模过程，模型中没有考虑桩土效应作用，将各墩底部直接固结。由于仅分析施工阶段梁段张拉钢束次序对腹板受力的影响，所以只建立了单T结构，见图1。
图1 计算模型
为了定量分析结构的腹板的受力特点，在如下两个张拉方案下，对典型梁段进行空间分析：
方案（1）：对所有悬臂施工的梁段，第N号梁段施工完成且混凝土强度满足张拉强度时，先张拉该梁段纵向预应力钢束，随后张拉横、竖向预应力钢束；
方案（2）：对所有悬臂施工的梁段，第N号梁段施工完成且混凝土强度满足张拉强度时，先张拉该梁段竖向预应力钢束，随后张拉纵、横向预应力钢束。www.tmgc8.com
梁段的张拉过程模拟为两个施工阶段，即按照张拉顺序将其分为两个施工阶段。为了考虑三向预应力的空间效应，每个方案都考虑了横向预应力的张拉，而且都将其放在后一个钢束张拉施工阶段。
2.3 方案一截面竖向正应力
在方案（1）下，选取第30号梁段中截面处的截面竖向正应力图，见图2，其中图2（a）为张拉纵向预应力钢束后截面竖向正应力，图2（b）为张拉横、竖向预应力钢束后腹板竖向正应力。
通过对方案（1）的结果进行分析可知，在梁段浇筑完成达到强度后即张拉纵向预应力钢束时会在腹板中上部产生较大的竖向正拉应力，可能会导致腹板产生水平裂缝；同时对结果的分析表明，每个梁段的竖向正拉应力分布为从纵向预应力钢束锚固端逐渐减少，在梁段中间到锚固端之间腹板正应力较大。腹板最大正应力变化为：从锚固端部的1.1MPa降至梁段结尾处的-0.2 MPa左右。而在进行了横、竖向预应力钢束的张拉后，腹板位置竖向正应力几乎全部为压应力，在1.5MPa和3MPa之间。该数据说明竖向预应力钢束能为腹板提供足够的竖向压应力。
（a） （b）
图2 方案（1）时第30号梁段腹板竖向正应力图（单位：0.01MPa拉为正）
2.4 方案二截面竖向正应力
在方案（2）下，仍选取第30号梁段中截面处的截面竖向正应力图，见图3，其中图3（a）为张拉竖向预应力钢束后截面竖向正应力，图3（b）为张拉纵、横向预应力钢束后腹板竖向正应力。
a b
图3 方案（2）时第30号梁段腹板竖向正应力图（单位：0.01MPa拉为正）
通过对方案（2）的结果进行分析可知，在梁段浇筑完成达到强度后即张拉竖向预应力钢束时会在腹板位置产生比较均匀的压应力，数值在2.0～3.2MPa之间。而在张拉纵向预应力后，在腹板位置仍然存在着比较大的竖向压应力，数值在1.0～3MPa之间。同时对结果的分析表明，每个梁段的竖向正应力在梁段腹板处分布比较均匀，在腹板竖向表现为从底板至顶板，腹板竖向压应力数值逐渐减小，在腹板和掖板交接处腹板部位可能会出现较小的拉应力。
2.5 两个方案的对比
通过以上分析表明，在方案一下，腹板处会产生一定的竖向拉应力；而在方案二下，预应力钢束张拉阶段腹板竖向全部处于受压状态，可有效防止腹板水平裂缝的展开。建议在施工阶段根据方案二进行施工。
3 预防施工阶段腹板水平裂缝的措施
对于先张拉竖向预应力钢束的箱梁，在施工中尤其要保证预应力的有效性，防止出现过大的竖向预应力损失。对采用精轧螺纹粗钢筋作竖向预应力钢束的钢束，应采用二次张拉工艺。对大跨径连续刚构和连续梁桥的箱梁，由于箱梁高度大，可以采用钢绞线作竖向预应力钢束。鉴于竖向预应力孔道灌浆比较困难、密实性较差的情况，可以采取特殊措施，保证竖向预应力钢束灌浆的密实性。重庆某连续刚构桥竖向预应力钢束灌浆过程中采用在下部锚垫板上焊一段金属管套住波纹管的方式，保证了竖向预应力灌浆的效果。
为了防止箱梁裂缝的开展，减少混凝土的早期收缩裂缝，建议在混凝土中添加聚丙烯纤维，增加混凝土结构的早期抗裂性和韧性，同时也提高混凝土的抗裂性能[4]。
4 结语
通过建立空间有限元模型，比较两种预应力钢束张拉方案下的腹板竖向正应力的分布特点，结果表明，先张拉竖向预应力钢束，然后张拉纵、横向预应力钢束能保证腹板在预应力张拉阶段竖向处于受压状态，阻止水平裂缝的开展。建议施工时按此顺序进行预应力钢束的张拉。
参考文献
[1] 廖小文.大跨宽箱连续刚构桥空间效应分析研究(硕士学位论文)[D].重庆：重庆交通大学,2007
[2] 刘昌鹏,张喜刚等.苏通大桥辅桥箱梁横、竖向预应力空间效应分析研究[A].在：2006年全国桥梁学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社,2006
[3] 钟新谷,李锋等.混凝土桥梁竖向预应力作用下的腹板应力场分析[J].湖南科技大学学报,2005,20(2)
[4] 解宝元.聚丙烯纤维在桥涵混凝土中的应用[J].中国港湾建设,2007,（5）www.tmgc8.com
