斜拉橋橫梁預應力儲備分析
2018-04-16
1 工程概況
紅楓湖特大橋位于滬瑞國道主干線清鎮(zhèn)至鎮(zhèn)寧公路上，跨越紅楓湖。主橋為30m+102m+185m的獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。大橋主梁截面采用雙實心邊主梁形式，為雙向預應力混凝土結構。節(jié)段基本長度8m，橫梁的基本間距8m。主梁與主塔承臺固結長度為6.1m。除主塔根部兩根橫梁為鋼筋混凝土結構外，其余橫梁均設有預應力束。
2 問題提出
邊主梁截面形式的大跨度混凝土斜拉橋，梁上拉索間距一般為6～8米，兩根拉索之間設置一道橫梁。橋面較寬時，橫梁采用預應力結構。橫梁施加預應力后，其預應力儲備及其均勻性將關系到后期荷載作用下結構的安全。懸臂施工中，如果各橫梁的預應力束隨施工進程在當前階段內(nèi)全部張拉完畢，雖然方便施工，但會造成同一塊件的兩根橫梁受力不均，對橋梁整體受力產(chǎn)生不利影響。
為改善橫梁受力，紅楓湖特大橋采用了分階段張拉橫梁預應力束的方法。大橋各橫梁內(nèi)分別設有3束預應力束（N1、N2、N3），具體張拉順序：1＃塊澆注完畢后，張拉橫梁h0的N1、N2、N3鋼束和h1的N1、N3鋼束；2＃塊澆注完畢后，張拉橫梁h1的N2鋼束和h2的N1、N3鋼束；3＃塊澆注完畢后，張拉橫梁h2的N2鋼束和h3的N1、N3鋼束……依此類推，進行前方塊件橫梁的預應力張拉。
3 預應力儲備分析
3.1 預應力等效處理
預應力效應采用等效節(jié)點力處理，將預應力對梁單元的作用等效為四種荷載作用，如圖3所示。
其中，Ni=Nj=T；q=4T/L2（2Dc+Di+Dj）；Mi=TDi；Mj=TDj；Qi=T/L[（4Dc+2Di+2Dj）-（Dj-Di）]；Qj=T/L[（4Dc+
2Di+2Dj）-（Di-Dj）]
上列各式中，Ni，Nj為等效軸力；Qi，Qj為等效剪力；Mi，Mj為等效彎矩；q為等效均布荷載；Di，Dj為梁單元端部預應力束的偏心矩；DC為梁單元中部預應力束的偏心矩；T為考慮了各項損失后單元的有效預應力值。
建立三維實體模型，因塔柱中心線兩側3.05m范圍內(nèi)主梁與承臺固結，建模時將距塔中心線3.05m處斷面設為固定端，形成懸臂結構體系。
選取與橫梁h1應力變化關系密切的幾個工況進行受力分析：工況一，橫梁h1的N1、N3鋼束張拉完畢；工況二，1#塊縱向預應力束張拉完畢；工況三，1#索張拉265t；工況四，橫梁h2的N1、N3鋼束和橫梁h1的N2鋼束張拉完畢；工況五，2#塊縱向預應力束張拉完畢；工況六，2#索張拉188t。計算結果與橫梁h1應力實測結果比較見表1。
注：Ss――上緣應力計算值；Sx――下緣應力計算值；Ss測――上緣應力測量值；Sx測――下緣應力測量值。
應力計算與實測結果基本吻合，預應力等效處理能較好的反映構件的實際受力狀態(tài)。
3.2 內(nèi)力計算
根據(jù)11#施工節(jié)段以前的各施工工況，利用有限元分析軟件建立空間模型。邊主梁和橫梁簡化成三維框架單元，橫梁預應力按施工程序等效加載。橫梁內(nèi)力計算結果詳見表2。
3.3 結果分析
?、賜#塊件澆注完畢并張拉預應力束后，其橫梁的軸力值僅為張拉力的86％。由于邊主梁的約束作用，其余14％的張拉力作用將由其他橫梁分擔，橫梁h(n-1)分擔最多，當懸臂段很長時，橫梁h0分擔的張拉力基本為零。
?、谟捎谒憾展探Y，主梁根部受到塔墩的強大約束作用，其橫向變位很小，導致0#塊件附近預應力束張拉作用難以作用到橫梁上，橫梁預應力儲備很小。橫梁h0自身預應力束張拉引起的軸力僅為其張拉力的26％。當橫梁h11張拉完畢后，橫梁h0的預應力儲備也只能達到設計值的46％。
?、垭S施工進行，主梁塊件數(shù)逐漸增多，橫梁之間預應力作用的相互分擔趨于均勻（橫梁h0、h1除外），橫梁的預應力儲備均達100％左右。
4 結束語
利用預應力等效模型進行橫梁內(nèi)力分析行之有效，計算結果基本能夠反映結構的實際受力狀態(tài)。分階段張拉橫梁預應力束有利于平衡各橫梁的預應力儲備，使橫梁的受力趨于合理。理論計算結果表明，紅楓湖特大橋除塔根部附近的橫梁預應力儲備較小外，其他橫梁的預應力利用充分。
參考文獻：
[1]林元培.斜拉橋.北京:人民交通出版社，1994.
[2]鄧新安.斜拉橋的施工控制.中國港灣建設，2001，5:34～37.
[3]葛耀君.分段施工橋梁分析與控制.北京:人民交通出版社，2003.
作者簡介：鄭暉（1979-），女，遼寧鞍山人，工程師，從事市政橋梁設計工作。
