预应力砼单箱多室超宽梁桥空间受力性能分析

蓝明祥

（新疆兴亚工程建设有限公司，新疆乌鲁木齐 831100）

预应力砼单箱多室超宽梁桥空间受力性能分析

蓝明祥

（新疆兴亚工程建设有限公司，新疆乌鲁木齐 831100）

以某单箱多室预应力砼超宽箱梁桥为工程背景，基于箱梁桥的梁格、梁板及实体有限元模型，结合实际施工步骤，重点研究超宽箱梁桥的空间力学特性。结果表明，超宽箱梁端横梁附近区域在施工阶段的应力水平均较高，正应力与主拉应力较大，施工阶段的应力水平受预应力束张拉次序影响较大，需严格控制施工顺序并对局部区域的普通钢筋进行加强处理，以控制箱梁裂缝的萌生及发展；同时为确保结构安全，需采用空间模型对桥梁的施工过程进行校核。

桥梁；超宽箱梁；预应力施工；受力性能

预应力砼单箱多室宽箱梁桥因具有耐久性能良好、纵横向受力合理、施工养护方便等优点，在城市桥梁建设中得到广泛应用。为了减轻该类箱梁桥的自重，通常将其顶、底腹板进行薄化处理，并配备宽翼缘，组成大悬臂薄壁箱形结构。因预应力砼宽箱梁桥的悬臂过长、宽跨比及腹板间距过大，现行桥梁规范均无法完全满足其设计与施工要求。目前，关于宽箱梁结构应力的计算大多采用初等梁理论，但该理论无法详细反映箱梁的内部受力情况，不能准确分析箱梁的弯曲、畸变、剪力滞等力学效应，致使设计方面经常出现缺陷，导致桥梁在使用过程中产生局部开裂病害，严重影响桥梁结构的运营安全和使用寿命。

该文以某单箱五室预应力砼宽箱梁桥为例，分别建立施工阶段的梁格、梁板及实体有限元计算模型，对其空间受力性能进行对比分析，得到其主要受力特征，为同类桥梁的合理设计提供借鉴。

1　工程概况

某预应力砼宽箱梁桥全长89.2m，跨径组合为（29.6+30+29.6）m，梁体采用单箱五室结构。跨面宽为25m，底板宽为19m，跨中腹板和支点厚度分别为0.5、0.7m。箱梁纵横向预应力束布置如图1～3所示，锚固构造如图4所示。

1#～6#腹板布置预应力钢束17φs15.24共36束，编号为N1～N6，各6束。按照钢束的纵向布置形式，将N1～N6分成N1和N2、N3和N4、N5和N63组，各组与梁端的间距分别为4.3、2.8、0.8m，

图1　箱梁纵向预应力束布置示意图（单位：cm）

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图2　箱梁跨中截面预应力束布置示意图（单位：cm）

图3　箱梁支点截面预应力束布置示意图（单位：cm）

图4　箱梁预应力束锚固构造（单位：cm）

箱梁部分采用满堂支架立模现浇施工，砼分2次进行浇筑，第1次浇筑箱梁的底板、腹板和部分横墙，以形成槽形开口箱；第2次浇筑箱梁的顶板、翼缘板等剩余部分。

2　有限元模型

该桥的跨径为30m，梁高为1.5m，桥面宽为25m，与双向板的受力特征相似，普通单梁格法无法满足计算要求。因此，在MIDAS的基础上采用梁格法和板梁耦合法进行分析。因MIDAS无法准确计算施工阶段箱梁腹板底部的应力结果，运用Abaqus对桥梁进行实体有限元计算分析。

2.1梁格模型

主梁截面通过MIDAS划分成6个梁格单元，跨中截面的划分如图5所示。

图5　主梁横截面梁格单元划分

以精细、准确为原则，对主梁纵向网格进行划分，跨中部分各梁段的网格密度均为2m；支座附近梁段，由于需考虑支座定位、预应力筋锚固、破坏位置等因素的影响，将其网格进行细分，边梁附近1.5 ～4.3m范围内梁段网格细分为4×0.25m+6× 0.3m。梁支座使用弹性连接，功能仅设置为受压；虚梁选取工字形截面，腹板厚度设为1mm，翼缘厚度取主梁顶、底板的厚度，并通过截面调整系数将其自重调整为零。

2.2梁板模型

梁板模型采用板单元模拟主梁的顶、底板，采用梁单元模拟主梁腹板，并通过刚性连接将梁、板单元组成整体，以位移变形协调条件来满足共同受力。梁板模型的截面形式和应力计算点如图6所示。

图6　板梁模型截面及应力分布示意图

依据支座中心、预应力筋锚固及主梁变截面将支座附近网格进行划分，其中跨中部分梁段的网格密度为1m；支座附近的梁端，同样需考虑支座定位、预应力筋锚固、破坏位置等因素的影响，按照梁格模型中支座附近梁段进行网格划分。采用刚性连接将主梁顶、底板组成一个整体，并按相对位置进行建模。另外，变厚度翼缘板和变截面厚度均采用平均厚度等效。

2.3空间实体有限元模型

运用Abaqus建立主梁结构空间实体三维模型（如图7所示），砼采用三维可变性实体C3D10M单元模拟，预应力筋采用三维线性桁架T3D2单元模拟。将距梁端1.5～4m范围内关心变腹板区段的网格细化，网格密度设为0.25m，其余部分网格密度设为0.5m。考虑到各梁段中横纵预应力钢束产生的有效预应力存在较大差异，对其简化后，仅取所关心变腹板区段的平均有效预应力。运用MIDAS对预应力损失值进行计算，得出纵、横向关心截面考虑预应力的损失分别为28%、29.5%，损失值分别为1004.4、983.48MPa。

图7　空间实体有限元模型

实体模型中除采用固定支架的左桥墩需对其纵桥向、竖向位移进行约束外，其余支座只需将其竖向位移进行约束。为保证实桥模拟的准确性，取桥墩相应位置9个节点，并将其横桥向位移进行约束。

3　模型计算结果

工序划分如下：1）支架的现浇及主梁施工；2）张拉端横梁部位的预应力束N1、N2；3）依次张拉1#和6#、2#和5#、3#和4#腹板对应的N1～N6预应力束；4）张拉端横梁部位的预应力束N3、N4。

对于靠近支座的梁段，由于端横梁的宽度为1.5m，不考虑距梁端1.75m范围内的应力。

3.1梁格模型

完成工序2（张拉端横梁部位的预应力束N1、N2）和工序4（张拉端横梁部位的预应力束N3、N4）后，梁格模型中箱梁各单元截面的应力分布分别如图8、图9所示。

从图8可以看出：箱梁的正应力和主拉应力主

图8　工序2完成后梁格模型箱梁的应力分布（单位：Pa）

图9　工序4完成后梁格模型箱梁的应力分布（单位：Pa）

要存在于距离梁端1.75～11m范围内的6#号腹板底部，其中正应力最大值为2.222MPa；端横梁预应力筋锚固点（有应力集中现象）和关心节段内主拉应力的最大值分别为3.819、2.222MPa，均处于离梁端4～5m范围内。

从图9可以看出：箱梁的最大正应力和主拉应力都处于端横梁预应力筋锚固端，分别为1.968、3.303MPa，因存在应力集中现象，对其不予考虑。关心梁段的最大主拉应力处于距梁端2.8m处，为0.602～1.877MPa；关心节段的最大主应力处于距梁端1.75m处，为-1.03～0.981MPa。

3.2梁板模型

在完成工序2、工序4后，梁板模型的应力分布分别如图10、图11所示。

图10　工序2完成后梁板模型箱梁的应力分布（单位：Pa）

图11　工序4完成后梁板模型箱梁的应力分布（单位：Pa）

从图10可以看出：端横梁部位的预应力筋N1、N2完成张拉后，箱梁的最大正应力和主拉应力的分布情况与梁格模型类似，同样都处于端横梁预应力筋的锚固点，分别为2.57、3.98MPa，不予考虑；关心梁段的正应力水平为1.06～1.31MPa，且应力最大点位于2～2.5m区段；梁段的主拉应力水平为1.065～1.305MPa，主拉应力最大点位于2～2.3m区段。

从图11可以看出：正应力和主拉应力的极值点均出现在箱梁端部的预应力束锚固位置，最大正应力为4.10MPa，最大主拉应力为5.98MPa；关心梁段的正应力水平为-0.88～3.14MPa，最大拉应力出现在锚后约2.78m处；最大主拉应力水平为1.17～3.15MPa，最大主拉应力位置与最大正应力位置相吻合。

3.3实体模型

运用Abaqus建立考虑施工阶段的宽箱梁实体有限元模型，对箱梁受力进行模拟。完成工序2中部分横梁预应力束张拉和工序4后，箱梁实体模型对应的应力分布分别如图12和图13所示。

从图12可以看出：边腹板在梁端附近区域的正应力水平较高，均在0.85MPa以上。受梁端预应力束锚固的影响，应力值大于1.15倍砼轴心抗拉强度区域内的应力较为复杂，而距端横梁0.5～2.0m区域的主拉应力值达0.9MPa以上，该梁段范围内受力较为不利。

图12　工序2完成后实体模型箱梁的应力分布（单位：Pa）

从图13可以看出：在完成箱梁预应力张拉后，边腹板在梁端附近区域内的应力水平明显提高，距端横梁0.25～2.0m区域梁段的正应力均大于1.53MPa，距端横梁0.25～2.25m区域梁段的主拉应力均大于1.60MPa。

3.4计算结果对比分析

基于箱梁桥梁格模型、梁板模型和实体模型的施工阶段模拟，对箱梁边腹板距离箱梁1.5m厚端梁0.25～2.5m范围内的正应力和主拉应力进行对比分析，工序2、工序4完成后的应力结果分别如表1、表2所示。

图13　工序4完成后实体模型箱梁的应力分布（单位：Pa）

从表1可看出：在完成第一批横向预应力束张拉后，各箱梁模型中均出现很高的正应力和主拉应力水平，关心梁段的安全系数较低。针对实体模型存在的锚下局部应力集中情况，在距端横梁0.25～0.75m区段选取腹板底部应力作为标准。梁格模型的正应力水平为0.729～2.01MPa，梁板模型的正应力水平为1.06～1.29MPa，实体模型的正应力水平为0.687～3.02MPa，与之对应的主拉应力水平分别为0.752～2.058、1.068～1.306及0.692～4.87MPa。

表1　工序2完成后箱梁的应力对比

表2　工序4完成后箱梁的应力对比

从表2可以看出：在完成全部腹板预应力束及横梁第二批预应力束张拉后，不同计算模型对应的箱梁正应力和主拉应力水平有所不同，梁格模型、梁板模型和实体模型的正应力分别为-2.21～0.982、-0.864～3.140、-0.768～4.639MPa，对应的主拉应力分别为0.431～1.857、1.157～3.132 和1.705～5.628MPa，其中实体模型主拉应力在横梁附近区域受局部应力影响。

4　结论

（1）距端横梁0～2.5m区段内的施工阶段应力水平较高，且纵向预应力束锚后局部影响区域内的主拉应力明显大于其他区域，受力极为不利，需对预应力施工顺序进行严格控制，同时加强该区域普通钢筋布置，以减少裂缝的产生和发展。

（2）对于超宽箱梁桥，其梁端附近的局部区域如仍采用常规二维平面模型进行计算，将存在明显误差，宜采用空间模型分析，确保箱梁结构局部区域的安全。

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U441

A

1671-2668（2016）04-0163-06

2016-04-19锚固处与桥面的间距均为0.2m。在12#墩每个横隔梁上各布置9φs15.24钢绞线4根，编号为N1～N2；在13#、14#墩每个横隔梁上各布置9φs15.24钢绞线4根，编号为N1～N4。预应力筋采用强度为1860MPa的低松弛钢绞线，张拉控制应力为1395MPa。砼采用C50强度砼。

2016-03-06