大悬臂预应力混凝土盖梁配束研究及空间力学分析

大悬臂预应力混凝土盖梁配束研究及空间力学分析

发表时间：2019-07-17T14:35:45.777Z 来源：《基层建设》2019年第13期作者：何立东[导读] 摘要：为研究大悬臂预应力混凝土盖梁合理配束形式并优化盖梁结构设计，探讨了三种配束方案，在统一的目标下，利用有限元软件MIDAS模拟计算，并根据计算结果对各方案从施工流程、应力状态、经济性、结构安全度等角度进行分析评价。

甘肃路桥第三公路工程有限责任公司甘肃省兰州市 730000摘要：为研究大悬臂预应力混凝土盖梁合理配束形式并优化盖梁结构设计，探讨了三种配束方案，在统一的目标下，利用有限元软件MIDAS模拟计算，并根据计算结果对各方案从施工流程、应力状态、经济性、结构安全度等角度进行分析评价。选取一种配束方案，利用有限元软件ANSYS，针对几个关键性工况进行空间实体分析。研究表明：三种配束方案均有自身的优缺点，设计时应根据结构尺寸及外部荷载的大小选取合适的配束方案。实体分析和杆系分析结果大体吻合较好，但由于桥墩横向宽度的影响，杆系计算结果一般情况下偏于保

守。

关键词：大悬臂预应力混凝土盖梁；配束；力学引言

城市桥梁设计过程中，城市高架桥通常需要在桥上有足够的行车道宽度。同时，为了减小桥梁对桥下道路通行的影响，需最大限度地减少占地面积。但是，在这种情况下容易产生桥面宽度大于下部结构横向尺寸的矛盾。大悬臂预应力混凝土盖梁比较完美地解决了这一问题，因此成为城市桥梁设计的优选方案。但构件悬臂长度的增大必须配合梁截面高度的增加，并且伴随着构件内力急剧增加。受力模式的改变、跨高比的减小，使得构件受力演变为深弯构件。城市桥梁施工过程中，为了协调道路边通行边施工需求，往往存在非对称架梁施工，而设计师通常根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）采用简化的简支梁或连续梁，利用平面杆系单元建立刚架模型来计算大悬臂盖梁结构。但是，大悬臂预应力盖梁具有很明显的空间效应，传统的杆系结构无法有效计算出施工阶段盖梁受力情况，不能有效考虑到深梁结构受力特性。 1工程背景介绍

重庆保税港区某大桥，全长652m，上部结构采用40m预应力混凝土小箱梁，下部采用双柱高墩大悬臂盖梁形式。桥面双幅布置，单幅宽度为16m，中间分隔带2m，设计荷载为城-A。盖梁结构尺寸为：全宽为32.6m，单侧悬臂10.3m，根部高度为3.5m（不含圆弧段），端部高度1.5m，盖梁中间厚4m，纵桥向厚3m。单肢桥墩横向宽度为3.5m，最高墩达57m。部分结构构造见图1。下文将以该桥墩盖梁结构为分析对象，采用三种不同预应力钢束布置方案，探讨不同布束形式下盖梁结构的内力状态、施工工序、材料用量等方面的差异。并取其中一种布束形式进行空间实体力学分析。

图1 大悬臂盖梁构造图（单位：cm） 2预应力钢束布置方案研究

盖梁采用A类预应力混凝土构件设计方法。预应力钢束采用1×7丝的φ15.2低松弛高强度钢绞线，预应力管道采用塑料波纹管，管道摩擦系数μ=0.17，管道偏差系数K=0.0015/m。钢筋回缩和锚具变形为6mm，张拉控制应力为1340MPa。案二压应力居中，最大值为12.4MPa，出现在盖梁截面最下层钢束锚固位置，下缘压应力呈锯齿状。值得一提的是，方案二由于是分散锚固，最大压应力是由单束钢束锚固引起，多层钢束的累积效果不明显，最大压应力出现单束下弯锚固区。而方案三最大压应力出现悬臂端部，且上下缘应力均较大。可见，随着悬臂加大，在最大压应力指标上，方案二会有更大潜力。从结构强度角度分析：方案一、方案二配束方式的抗弯和抗剪安全系数都比较接近，均在1.1左右，方案三配束的安全系数稍偏大，抗弯1.21，抗剪1.31。从经济性角度分析：方案二预应力钢束用量最少，只有9.88t，其次是方案一，约为11.1t。方案三预应力钢束用量最大，将近12.9t。约为方案二的1.3倍，方案一的1.16倍。从竖向位移角度分析：恒载下（包括结构自重、二期恒载及预应力荷载）的竖向位移，方案一最小，为-3.1mm，其次是方案二-7.4mm，方案三竖向位移最大，为-8.1mm。不过三种方案的位移值均较少，最大的位移悬臂比约为1/1272。三种方案在外活载下的竖向位移值均相等，约为-6.4mm，可见预应力配束形式对构件的刚度影响很小。从施工角度分析：方案一和方案二配束方式均需要进行分批次张拉，即在架设小箱梁之前张拉一次，待小箱梁架设完成后再张拉一次；而方案三可以实现在架梁之前一次全部张拉，省去二次张拉工况，避免繁琐施工工序；另外，方案一、方案三配束方式锚固位置均在悬臂段，张拉及施工时均较方便；而方案二配束方式有许多钢束锚固在盖梁下缘，由于需开设张拉槽口，因此盖梁下缘纵向普通钢筋和箍筋将会被严重切割，导致施工困难且对普通钢筋产生一定的削弱。当然，也可以采用设置齿块形式避免开设槽口带来的问题，但是会对结构美观性造成一定影响。各配束方案优缺点见表2。综合以上计算分析结果，对于10m左右的悬臂盖梁，即在压应力尚未成为结构控制性因素时，推荐使用方案一配束方式；对于特大悬臂，13m以上的盖梁，压应力很可能已经成为结构控制性因素，推荐使用方案二配束方式，其次是方案三（经济性差）；对于8m以下，且采用其他方案需二次张拉时，推荐采用方案三。如二次张拉不在考虑范围内，则推荐采用方案一。由于结构的应力状况不仅仅与悬臂长度有关，还和上部结构跨径、结构尺寸、荷载形式等因素密切相关。因此以上根据悬臂长度来推荐的采纳方案只是定性的参考，本质上依据是结构的各项应力指标。综合考虑本项目的实际情况，最终选用方案一进行盖梁配束设计。

3大悬臂盖梁空间力学分析

3.1三维空间实体有限元模型建立

利用SOLID92单元模拟桥墩及盖梁的混凝土部分，link8单元模拟预应力钢束。采用等效降温法模拟预应力张拉。桥墩底部边界条件采用全部固结约束。为了节约计算资源，桥墩部分划分网格尺寸为0.6m，盖梁部分划分网格尺寸为0.3m。全计算模型共划分为170820个单元，248390个节点。考虑的荷载有：盖梁自重、上部恒载、上部活载、整体升降温、预应力荷载。具体计算有限元模型见图3。

3.2计算结果及分析

根据前面杆系单元计算结果，选取几个比较关键性工况进行实体有限元分析。分别为：（1）施工阶段中，第一批预应力（即N2、N3钢束）张拉后。荷载组合为：盖梁自重+第一批预应力效应。该工况主要关注盖梁在施工过程中出现的最大拉应力值。（2）运营过程中，短期荷载组合。按1.0恒载+0.7活载考虑。该工况主要关注盖梁在运营过程中上下缘应力值。（3）仅汽车活载，该工况主要关注悬臂盖梁的竖向位移。按以上工况进行计算。结果见图4。

图3 桥墩盖梁有限元网格模型

结语

大悬臂预应力混凝土盖梁以其独特的优点在城市高架桥梁中得到广泛应用。本文以某实际工程案例为研究对象，做了如下工作，并得到了相关结论：（1）归纳了目前常用的几种大悬臂预应力混凝土盖梁配束方案，并分别对各方案进行计算分析，总结了各自优缺点。（2）各配束方案均有自身的优缺点，设计时应根据实际工程情况，选择合理适合的配束方案。根据计算和工程经验，可得大致定性结论：对于10m左右的悬臂盖梁，即在压应力尚未成为结构控制性因素时，推荐使用方案一配束方式；对于特大悬臂，13m以上的盖梁，压应力很可能已经成为结构控制性因素，推荐使用方案二配束方式，其次是方案三（经济性差）；对于8m以下，且采用其他方案需二次张拉时，推荐采用方案三。如二次张拉不在考虑范围内，则推荐采用方案一。（3）实体单元和杆系单元分析结果大体能较好吻合。由于桥墩自身横向宽度的影响，杆系单元在桥墩与盖梁相交处的结果偏大，对于横向宽度较大（2m以上）的桥墩，建议采用实体分析优化设计。另外，施工过程中在盖梁根部圆弧段位置可能出现较大拉应力，设计时应该注意采用弧形配筋，并加大普通钢筋配筋量。