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施工工况对T梁预应力筋应力的影响

日期：2016-6-6 9:19:52　来源：转载　浏览数：
　

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近年来，由于简支转连续梁桥所具有的优点，使该种桥型成为城市桥梁和高速公路桥梁建设中的业主第一选择［1］。简支转连续梁桥中预应力筋是关键受力构件，预应力筋的应力分布及其变化直接影响桥梁结构承载力、刚度的变化［2］。因此，鉴于其重要性有必要对该种桥型在荷载作用下主梁预应力筋应力变化进行研究。
    本文依托实际工程，对该工程主梁预应力筋的应力进行施工阶段监测，将实测数据与Midas /Civil 有限元模型值进行对比分析，总结出张拉负弯矩钢束对主梁预应力筋应力的影响，为以后该类桥梁的设计与分析提供参考。
    1 ·工程概况
    宝贝河大桥为10 跨预应力混凝土T 梁桥，全桥分为( 3 × 40 +4 × 40 + 3 × 40) m 三联，结构体系为先简支后连续结构，桥梁跨径L = 40 m，桥梁全宽12． 25 m，采用C50 混凝土及标准强度ftk =1 860 MPa 的低松弛钢绞线，预埋金属波纹管制孔，采用两端同时张拉工艺，张拉控制应力为0． 75ftk。本试验选取最后一联( 8 跨～10 跨) 第9 跨4 号梁( 9-4 号梁) 为试验对象。桥梁总体布置情况见图1，8号、9 号墩顶4 号梁负弯矩钢束平面布置情况见图2。

    2 ·试验测点布置及试验工况
    2． 1 测点布置
    T 梁预制时在试验梁跨中( A—A) 、四分点( B—B) 、梁端( C—C) 截面钢束N1，N4 的① ～⑥测点上埋置混凝土应变计。测点布置情况见图3，图4，仪器现场埋设情况见图5。

    2． 2 试验工况
    由现场实测数据可知，张拉1，2，3，5号梁墩顶负弯矩钢束对4 号主梁的跨中、四分点、支点钢筋应力影响较小，因此只分析张拉4 号梁墩顶负弯矩钢束对主梁预应力钢筋应力的影响。该试验分为12 个荷载工况:
    9 号墩顶张拉工况及横向张拉顺序为: 4-T3Ｒ( 工况1) →4-T3L( 工况2) →4-T2Ｒ( 工况3) →4-T2L( 工况4) →4-T1Ｒ( 工况5) →4-T1L( 工况6) 。
    8 号墩顶张拉工况及横向张拉顺序为: 4-T3L( 工况7) →4-T3Ｒ( 工况8) →4-T2L( 工况9) →4-T2Ｒ( 工况10) →4-T1L( 工况11) →4-T1Ｒ( 工况12) 。
    纵向张拉顺序为9 号墩顶→8 号墩顶。
    3· 模型计算值与实测值对比分析
    3． 1 模型的建立
    基于Midas /Civil 软件平台，采用梁格法对宝贝河大桥进行有限元软件模拟［3］。在建模之前，需对桥梁结构的有限元建模过程进行规划分析［4］。为了更好的模拟主梁间的横向连接，主梁间建立虚拟横向联系单元。9-4 号梁负弯矩钢束张拉划分为12 个施工阶段。对墩顶处的模拟采用实体，更真实的模拟墩顶现浇段，使该仿真模型更加接近试验桥梁。全桥共2 250 个节点，3629 个单元，正弯矩钢束75 根，负弯矩钢束60 根。桥梁有限元模型半幅见图6。

    3． 2 模型验证与分析
    通过对Midas /Civil 有限元模型进行运算，计算得出A—A，B—B，C—C 截面在工况12 下( 即最后一根负弯矩钢束4-T1Ｒ张拉结束时) 的应力值，将模型计算结果与现场实测数据进行对比分析。计算比较结果如表1 ～表3 所示( 表中压应力为正，拉应力为负) 。

    由表1 ～表3 中数据可知，通过Midas /Civil 有限元模型计算的理论值与实测值吻合较好，最大误差约为8． 3%，由此验证所建立的有限元模型是正确的。分析表中数据，在负弯矩钢束张拉后可以看出测点位置均受压。由于自重引起的正弯矩与预加力引起的负弯矩进行叠加，使得跨中弯矩代数和小于四分点弯矩代数和，根据材料力学构件截面应力计算公式［5］，A—A 截面下缘测点压应力较B—B 截面测点压应力小，且压应力由梁下缘向上缘逐渐降低。由于负弯矩钢束的作用，C—C 截面压应力由梁下缘向上缘逐渐增加。压应力沿梁高呈线性分布，结构受力良好。
    4· 负弯矩张拉对预应力筋应力影响
    4． 1 预应力筋应力变化分析
    通过有限元模型计算，得出测点① ～⑥在每个工况下的预应力筋应力值，分析主梁预应力筋在上述工况下的应力变化趋势。计算结果见图7 ～图10。

    由图7，图8 可以看出: 在工况1 ～ 6 作用下，N1，N4 测点上的应力均呈减小趋势，由此可知负弯矩钢束张拉使主梁产生负弯矩，中性轴以下的混凝土受压，钢筋与混凝土共同变形［6］，预应力筋产生压应变，从而使得预应力筋的永存有效预应力减少。根据结构力学的位移法可知［7］，对于超静定梁梁端受到偏心力的作用使得梁端产生转角，根据转角位移方程可知试验梁测点截面在负弯矩钢束作用下所受内力为负弯矩，使截面产生上拉下压的内力，因此模型计算结果符合构件理论受力状态。同时可以知道由于N4 的测点位置沿梁高大于N1，因此N4 预应力筋应力受负弯矩影响较N1 大。
    由图9，图10 可以看出: 在工况7 ～ 12 作用下，N1 跨中截面钢束应力减少，而四分点截面、支点截面钢束应力增加。N4 跨中、支点钢束应力减小，四分点钢束应力增加。由于工况7 ～ 12 为8 号墩顶负弯矩束张拉，根据结构力学可知超静定结构受到负弯矩拉力的作用，使截面A—A 受力为负弯矩内力，而截面B—B、截面C—C 受力为正弯矩内力。因此在A—A 断面产生上拉下压，而在B—B，C—C 断面产生上压下拉的内力，同样满足构件理论受力状态。对比图9 与图10 可以看出跨中、四分点截面钢束N1，N4 应力变化一致，而支点截面则不同，这是由于对于支点断面测点①位于中性轴之上，因此在正弯矩作用下测点①钢束应力减小，而测点⑥钢束应力增加。
    4． 2 预应力筋应力增量变化分析
    通过模型计算，测点① ～ ⑥预应力筋应力增量值见图11 ～图14。

    由图11，图12 可以看出: 在工况1 ～ 6 作用下钢束N1，N4 的应力增量均为负值，即均使预应力筋应力减小。对比图11 与图12 可知，钢束N1 上的测点应力减小值均小于钢束N4 上的测点应力，且N1，N4 应力减小值最大分别为2． 2 MPa，5． 5 MPa，均是位于支点截面，负弯矩束张拉对N1，N4 跨中应力影响均小于支点截面。
    由图13，图14 可以看出: 在工况7 ～ 12 作用下对钢束应力影响与工况1 ～ 6 不同，该工况使得钢束N1 四分点、支点截面的应力增加，跨中截面应力减少，对于钢束N4 跨中、支点截面应力减少、而四分点应力增加。对比图13 与图14 可知，跨中和四分点钢束应力变化趋势一致，支点的钢束应力变化趋势相反，这符合上述钢束应力的分析，跨中测点在中性轴之下，受到负弯矩作用，测点均受压，四分点测点位于中性轴之下，受到正弯矩作用，测点均受拉，而支点测点被中性轴分隔，受到正弯矩作用，梁上缘测点受压，下缘测点受拉。跨中截面钢束应力变化最大，N1，N4 应力减小量分别为0． 8 MPa，0． 9 MPa。
    5· 结语
    本文以实际工程为依托，在负弯矩钢束张拉的工况下对试验梁的跨中、四分之三、梁端预应力筋应力进行现场监测，通过实测值与模型理论值对比分析可以得到如下结论:
    1) 实测混凝土应力及混凝土应力理论值比较，二者应力吻合的较好，试验验证了运用混凝土应变计进行预应力混凝土结构应力监测是可行的，可供类似工程参考。
    2) 通过模型计算分析预应力筋应力变化，可知在1 ～ 6 工况下对N1，N4 测点上的应力均呈减小趋势，N4 预应力筋应力受负弯矩影响较N1 大。在7 ～ 12 工况下跨中、四分点截面钢束N1，N4 应力变化一致，而支点截面则不同，测点①钢束应力减小，而测点⑥钢束应力增加。
    3) 通过模型计算分析预应力筋应力增量变化，可知在1 ～ 6工况下钢束N1，N4 的应力增量均为负值，即均使预应力筋应力减小。N1，N4 应力减小值最大分别为2． 2 MPa，5 ． 5 MPa，且位于支点断面，负弯矩束张拉对N1，N4 支点截面影响较大，因此施工时应注意对负弯矩束张拉应力的控制。在7 ～ 12 工况下跨中和四分点钢束应力变化趋势一致，支点的钢束应力变化趋势相反，跨中截面钢束应力变化最大，N1，N4 应力减小量分别为0． 8 MPa，0． 9 MPa。