预应力混凝土连续梁桥施工阶段受力分析研究

预应力混凝土连续梁桥施工阶段受力分析研究
发表时间：2019-08-02T10:35:22.780Z 来源：《基层建设》2019年第9期作者：黎开拓
[导读] 摘要：针对桥梁预应力混凝土连续梁桥的建设特点进行了分析，对桥梁预应力混凝土连续梁桥的荷载设计、极限应力控制进行了探讨，得出有效的梁桥预应力的设计方法。

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摘要：针对桥梁预应力混凝土连续梁桥的建设特点进行了分析，对桥梁预应力混凝土连续梁桥的荷载设计、极限应力控制进行了探讨，得出有效的梁桥预应力的设计方法。

关键词：桥梁工程；预应力；混凝土连续
1、理论分析
要计算施工阶段因混凝土弹性压缩变形而产生的应力损失，需要按照每束预应力钢筋的预加力相同，且取它们弹性压缩损失平均值来考虑的假定。

当同一截面的预应力钢筋逐束张拉时，由混凝土弹性压缩引起的预应力损失可按公式σl=(m－1)*αEP*Δσpc/2m计算，式中:Δσpc为全部钢筋重心处，由张拉一束钢筋产生的混凝土法向应力;αEP为预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值;m为张拉预应力钢筋的总批数。

同时，该公式对按施工阶段分批张拉预应力筋束时，计算由混凝土弹性压缩引起的应力损失也适用。

但该假定与实际连续梁桥施工阶段预应力筋束的张拉锚固过程有很大差别。

具体表现在以下几方面:(1)混凝土连续梁桥需配置较多的纵向预应力筋束，且其中相当一部分预应力筋束设置竖向弯起，这给应力损失计算造成一定难度;(2)在同一施工截面，因受张拉设备数量限制，截面纵向预应力筋束很难做到同时同步张拉，这也会造成同一施工截面钢束张拉顺序和张拉时间的不同;(3)在悬臂施工过程中，后浇筑梁段预应力筋束的张拉锚固会使已浇筑梁段产生弹性压缩变形，其变形值因张拉顺序而不同，这也造成应力损失的不同;(4)连续梁桥顶板束、腹板束和底板束的空间位置、弯曲形状及型号也各不同，很难保证每根预应力筋束在张拉锚固时的预加力是相同的。

鉴于以上原因，本文利用Midas/civil有限元计算软件，根据白腊寨一号四线桥工程实例，建立预应力混凝土连续梁桥的三维模型。

分别从同一截面钢束不同张拉顺序和不同施工阶段后张拉束对已浇筑梁段弹性压缩变形量影响进行分析，以期得出混凝土连续梁桥施工阶段有效预应力损失与张拉顺序之间的关系。

为减少连续梁桥施工阶段应力损失提出可靠的建议，并为混凝土连续梁桥的后期病害防治提供一定的帮助。

2、试验概况
2.1试件设计
共设计6根大直径高强钢绞线预应力混凝土梁试件，均采用C40混凝土，非预应力纵筋采用HRB400级钢筋，箍筋采用HRB300级钢筋，预应力钢筋采用1850级、1*7标准型 S17.8低松弛钢绞线，曲线布置，一端张拉后张法施工，张拉控制应力σcon均为0.7fptk（fptk为预应力钢筋极限抗拉强度标准值），预应力采用低回缩锚具施加，预应力强度比λ为0.586-0.797，λ＝fpykAp/（fykAs+fpyAp），其中fyk，fpy分别为非预应力受拉钢筋和预应力钢筋屈服强度标准值，As，Ap分别为非预应力受拉钢筋和预应力钢筋截面面积。

波纹管采用塑料波纹管，内径为50mm。

试件截面宽度b为20mm，高度h为350mm，跨度为L，计算跨度为10，纵筋保护层厚度均为30mm。

为保证试件的弯曲破坏，剪跨段进行箍筋加密。

2.2材性试验
在浇筑试验梁时制作立方体标准试块，并与试验梁同条件养护，养护龄期达到28d时测试立方体标准试块平均抗压强度fcu，并根据《规范》计算混凝土轴心抗压强度fc和抗拉强度ft以及弹性模量Ec。

从制作试验梁的同批钢筋和钢绞线中截取试件，做原材料材性试验，得到钢筋和钢绞线的屈服强度fy、极限强度fu以及弹性模量Ey。

2.3试验装置与加载
预应力试验梁的受弯试验采用在三分点处两点集中加载，为防止混凝土局部压碎，在加载点处设宽150mm、厚25mm的钢垫板。

在梁的侧面与顶面和钢筋以及钢绞线表面贴有应变片，以测量加载过程中应变的变化规律。

将位移传感器置于梁的两端支座、跨中以及加载点相对应的位置，以测量试验梁挠度随荷载的变化规律。

裂缝宽度变化借助裂缝测宽仪测量，观察试验梁的宏观破坏。

采用单调静力分级加载试验方案，在正式加载前先进行预加载，使试件进入正常工作状态，同时检测各仪器、仪表工作情况，然后卸载。

在试件开裂前，每级所施加荷载约为0.05Fu（Fu为跨中极限荷载），持荷10min，以使试件在荷载作用下的变形得到充分发展，同时记录试验现象，测量裂缝宽度，观察裂缝发展，试件开裂后每级所施加的荷载。

2.4试验现象
6根大直径高强钢绞线预应力混凝土梁均为适筋梁，根据各试件的荷载－挠度曲线，可将试件的受力过程大致分为3个阶段：第1阶段为弹性工作阶段，当荷载小于0.3MU（MU极限弯矩实测值）时，试件的荷载－挠度曲线为直线，表现出良好的线弹性；第２阶段为带裂缝工作阶段，当弯矩为0.3MU-0.5MU时，在试件纯弯段下边缘出现竖向弯曲微裂缝，初始宽度在0.04mm左右，随着荷载的增加，由于钢筋和混凝土的黏结与应力传递，试件下边缘不断出现新的竖向弯曲裂缝，并不断向上延伸，裂缝数量和宽度持续增加，当加载到0.7MU-0.8MU 时，试件纯弯段裂缝基本出全，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断扩大，高度不断延伸；第３阶段为破坏阶段，当荷载大于0.8MU时，试件纵筋屈服，挠度急剧增加，并伴随有混凝土崩裂的声音，新裂缝不再出现，纯弯段裂缝继续向上扩展，当达到极限弯矩时，纯弯段受压区混凝土在受压纵筋位置出现水平裂缝，最终受压区混凝土被压碎，试验梁破坏。

2.5试验结果
在试验梁纵向受拉钢筋屈服前，荷载－挠度曲线呈线性增长趋势，屈服后位移增加加快；试验梁的跨高比越小，其开裂荷载、屈服荷载和极限荷载呈增长趋势；当跨高比不变时，试验梁的非预应力钢筋配筋率越小，其开裂荷载、屈服荷载和极限荷载呈减小趋势。

由参考文献中数据可知，大直径高强钢绞线相对于常规直径钢绞线其承载能力提高30%左右，因此在试验梁加载过程中，大直径高强钢绞线在试验梁出现裂缝后能够持续承受较大的荷载，进而能够减缓非预应力钢筋进入屈服阶段，达到改善构件延性性能的目的；大直径高强钢绞线与试验梁协同工作良好，由参考文献中数据可知，大直径高强钢绞线预应力混凝土梁承载力较配置常规直径钢绞线的试验梁承载力提高13%左右，同时构件破坏前有明显预兆，纯弯段受压区混凝土在受压钢筋位置附近出现水平细小裂纹，最终受压区混凝土被压碎。

参考文献
[1]肖杰.大跨度预应力混凝土连续梁桥悬臂施工控制及温度效应研究[D].西南交通大学,2017.
[2]崔慧梅.徐变对不同施工方法建造连续梁桥内力演变的影响分析[D].北京交通大学,2017.
[3]董科.空腹式变截面钢混组合体系连续梁桥建设中几个关键问题研究[D].重庆交通大学,2017.
[4]李君.大跨度预应力混凝土连续梁悬臂施工技术研究[D].石家庄铁道大学,2017.。