曲线梁桥预应力筋定位偏差对结构受力影响

杨吉新 刘 畅 黎建华

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063) (中交第二航务工程勘察设计院有限公司 武汉 430060)

0 引 言

由于受到地形、建筑物限制,以及城市美观等因素的影响，相比较于直线梁桥，曲线梁桥因其平顺缓和的线性可以避开较多地形受限和建筑情况复杂的区域，现如今已广泛应用于工程建设中[1].但同时曲线梁桥的三维空间构造也导致其结构受力情况难以分析，梁桥内外侧支反力差导致曲线梁桥存在受扭的情况，其与挠曲变形形成独特的弯扭耦合现象[2].查阅相关文献资料可知，近年来国内外曲线梁桥在实际运营过程当中出现了较多的工程事故，如2009年位于津晋高速上的一座曲线匝道桥梁体整体出现倾覆；2011年，浙江上虞立交桥梁体从支座处滑落；深圳春风路高架桥的梁体转动造成支座脱空，梁体有滑落的危险等等.

预应力混凝土曲线梁桥复杂的空间受力特点为桥梁设计施工带来了较多的难题，预应力筋作为曲线梁桥结构受力中的重要组成部分，合理的设计与良好的施工质量是保障曲线梁桥施工及日后运营安全稳定的关键因素[3].但在施工过程中可能会存在定位钢筋脱焊，混凝土浇筑挤压导致预应力筋出现偏位情况，这种偏位情况对于弯梁桥施工与运营造成严重的影响.本文以武汉长丰大道快速路高架中的L14联为例，对预应力筋偏位所引起桥梁结构受力的变化及其对桥梁的影响进行分析，以期对其他曲线梁桥工程提供一定的借鉴，避免此类问题的发生.

1 工程背景

武汉市二环线至三环线一处快速路高架的L14联，其结构形式为38 m+70 m+38 m曲线预应力混凝土连续箱梁桥.该联位于小半径圆曲线上，曲线半径为600 m.桥面上设横坡纵坡，横坡设置为人字形1.5%，单向纵坡为3.8%.该桥桥面宽度与箱梁上顶宽一致为26.0 m，下底板宽度按照15.62～17 m区间变化.其中箱梁为变梁高式，变化区间为2.0～4.0 m.主梁横截面采用纵、横双向预应力体系，单箱三室斜腹板式结构.纵、横向预应力钢束分别有232束及292束，群锚体系.桥梁立面图与平面图见图1.

图1 第14联箱梁立面图和平面图(单位：cm)

2 理论方法

为了更加精确地研究曲线梁桥预应力筋定位偏差造成的空间受力变化，以及偏位引起的局部应力改变，本文选择有限元分析软件ANSYS并结合AUTOCAD软件进行研究，在AUTOCAD软件中分别建立混凝土梁体和预应力钢束三维实体模型，导入ANSYS中进行网格划分[4].有限元ANSYS软件中处理预应力混凝土结构主要采用整体式以及分离式，其中分离式即是梁体建模后通过施加荷载来模拟预应力作用，而整体式则是采用不同单元模拟混凝土和预应力筋，并施加预应力至预应力筋单元[5].鉴于该曲线梁桥空间结构的复杂性，本文采用整体式建模，通过力筋耦合法以及对预应力单元降温进行预应力模拟[6].建模时对于混凝土选用ANSYS中的SOLID65来模拟，而对于预应力钢束则使用LINK180进行模拟.在ANSYS中分别建立混凝土曲线梁桥梁体与预应力钢束模型之后将其二者进行耦合，作为整体进行研究[7].

曲线梁桥由于结构线性的特殊性，存在大量的空间自由曲面等复杂几何体，该种类型桥梁建模过程中难以进行结构化的网格划分，为对模型进行空间离散，采用自由网格划分方式.为确定最适宜的划分精度，不断调整网格的数量、边长以及曲率等参数.分别采用20，30，40，50 cm进行网格划分计算，综合考虑计算结果的收敛性，以及计算速度，采用20cm进行自由网格划分[8].箱梁三维实体模型及混凝土与力筋耦合细节分别见图2～3.

图2 箱梁实体模型

图3 单元耦合细节图

3 试验仿真

为验证计算方法的正确性及网格划分的精确度，分别建立全桥混凝土模型及全部预应力筋模型进行耦合计算，预应力采用降温法进行施加.在梁桥施工过程中需要实时监测梁体应力、应变变化，选择应力、应变监测的横截面为主梁的重点受力位置[9]，采用JMZX-215型号高精度钢弦应变计监测梁体应力、应变，测点布置在中跨跨中截面(见图4)，用JMZX-3003型号应变测试仪进行测试，并且监测从混凝土浇筑开始前至施工结束后的应力应变，见图5.由于桥梁梁体由桥下支架支撑且支架尚未拆卸，则试验不考虑梁体自重造成的影响[10].对比试验实测数据及ANSYS建模计算结果，见表1.

图4 中跨跨中截面测点布置图

经过比较试验实测得到的数据与采用ANSYS有限元软件建模结果，可以看出建模的理论计算应力值与试验测得的应力值相差无几，也就是说明通过ANSYS实体建模该预应力弯梁桥是较为合理的，也较为正确的模拟了弯梁桥的结构受力状态，为后续研究预应力钢束定位偏差的建模分析提供试验证明.

图5 施工过程中跨跨中截面测点应力变化图(单位：MPa)

表1 实测数据与理论数据对比表 MPa

4 预应力筋定位偏差模拟

4.1 工况设置

该曲线梁桥横桥向、纵桥向共计有524束预应力钢筋，这些预应力钢筋分布于梁桥的顶板、腹板、边腹板以及底板处，考虑预应力筋偏位造成的结构受力影响主要体现在腹板钢束，本文仅研究腹板预应力钢束的偏位影响[11-12].该曲线梁桥的截面为单箱三室，中、边腹板各有五束预应力钢筋，共计20束.腹板处钢束共有两种布置形式，中间竖直布置，两侧平行于边腹板倾斜布置.将腹板预应力钢束依次编号，同时将腹板钢束由箱梁内侧到外侧分为A，B，C，D四个部分见图6.

图6 腹板钢束编号示意图

为对比研究曲线桥预应力筋偏位对结构受力产生的影响,分别设置四种工况如下.工况一：全桥腹板预应力钢筋未偏位，即正常状态；工况二：A，B，C，D四个区域腹板钢束全部向箱梁外侧偏移10 cm；工况三：A，B两个区域腹板钢束向箱梁内侧偏移10 cm,C，D两个区域腹板钢束向箱梁外侧偏移10 cm；工况四：A，B，C，D四个区域腹板钢束全部向箱梁内侧偏移10 cm.

4.2 计算结果对比

建立箱梁及腹板预应力钢束模型，考虑自重作用，预应力作用通过降温法施加，分别计算上述四类工况，提取四种工况的计算结果对比全桥竖向位移、支点反力、支点位移以及箱梁中跨跨中截面控制点应力和位移情况，从整体到局部全面分析预应力筋偏位造成的梁体结构受力变化.四种工况下全桥位移见图7.

图7 全桥竖向位移云图

对比腹板预应力筋偏位状态下以及正常状态下的箱梁全桥竖向位移，可以看出当预应力筋定位出现偏差时，全桥位移变化不大，挠度最大处位于中跨跨中区域.同时可以明显观察到当腹板钢束发生偏位时，中跨跨中区域箱梁截面变形云图发生改变，当钢束向外侧偏位时即工况二，跨中截面变形更为均匀，当钢束向内侧偏位时即工况四，箱梁外侧翼缘板竖向位移变大，内侧翼缘板竖向位移变小[13].预应力筋的偏位容易造成箱梁中跨跨中截面各空间位置点的变形不协调，导致箱梁出现翘曲、扭转、畸变的不良变形情况，甚至产生裂缝，危害桥梁的运营安全.

图8 四类工况下各桥墩内外侧支反力差值和内侧支点横桥向位移对比

由图8a)可知，当腹板钢束整体向外偏位或整体向内偏位时，各桥墩内外侧支反力差值明显增大，而工况三内外两侧均有偏移则变化不大，与正常情况接近.支反力的差值增大会加剧桥梁倾覆风险，尤其对于曲线梁桥这类对反力差值较为敏感的结构形式.由图8b)可知，钢束的偏位会增大桥梁支点横桥向位移，造成支点截面的畸变，同时增加箱梁横向滑移风险.

为深入分析预应力钢束的定位偏差对曲线梁桥腹板局部造成的影响，对中跨跨中截面腹板24个节点的计算结果进行监控，节点位置见图9，对比分析所四种工况条件下腹板节点的应力变化情况见表2.

图9 四类工况下各桥墩内侧支点横桥向位移对比

节点工况一工况二工况三工况四节点工况一工况二工况三工况四①-4.16-3.68-4.67-4.55-5.18-5.59-4.78-4.69②-1.66-1.17-2.16-2.03-2.65-3.06-2.26-2.16③-0.05-0.45-0.55-0.46-0.24-0.640.160.26④-4.57-5.19-4.18-4.27-4.78-4.48-5.38-5.38⑤-2.54-3.15-2.14-2.25-2.46-2.16-3.05-3.05⑥-0.52-1.12-0.11-0.21-0.200.12-0.80-0.80⑦-4.91-4.42-5.41-5.31-4.45-4.86-4.05-3.94⑧-2.51-2.01-3.01-2.91-2.41-2.82-2.01-1.90⑨-0.260.24-0.76-0.66-0.28-0.690.120.23⑩-5.18-5.79-4.78-4.88-4.05-3.76-4.65-4.64-2.76-3.37-2.37-2.45-1.14-0.84-1.72-1.72-0.26-0.860.140.11-0.070.23-0.67-0.69

由表2可知，当预应力筋发生偏移时，近腹板钢束一侧的节点应力值增大，远腹板钢束一侧的节点应力值减小，当腹板钢束偏位足够大时，箱梁底板与腹板交界位置即节点③，⑥，⑨，，，，，这八个点会出现拉应力.局部的应力分布不均，极易造成箱梁截面的变形不协调，腹板处存在偏心荷载，导致箱梁腹板处产生裂缝，危害桥梁安全.

5 结 论

1) 当腹板钢束发生偏位时，中跨跨中区域箱梁截面变形发生改变，当钢束向外侧偏位时，跨中截面变形更为均匀，当钢束向内侧偏位时，箱梁外侧翼缘板竖向位移变大，内侧翼缘板竖向位移变小.预应力筋的偏位容易造成箱梁中跨跨中截面各空间位置点的变形不协调，导致箱梁出现翘曲、扭转、畸变的不良变形情况.

2) 当腹板钢束整体向外偏位或整体向内偏位时，各桥墩内外侧支反力差值明显增大，加剧桥梁倾覆风险；同时钢束的偏位会增大桥梁支点横桥向位移，造成支点截面的畸变，同时增加箱梁横向滑移风险.

3) 当预应力筋发生偏移时，近腹板钢束一侧的节点应力值增大，远腹板钢束一侧的节点应力值减小，当腹板钢束偏位距离足够大时，底板与腹板交界处会出现拉应力.局部的应力分布不均，极易造成箱梁截面的变形不协调，腹板处存在偏心荷载，导致箱梁腹板处产生裂缝，危害桥梁安全.

从研究结果上看，曲线梁桥的预应力钢束定位偏差问题会对桥梁受力性能带来较大的负面影响，严格把控钢束定位这一施工控制环节尤为重要.