预应力混凝土连续箱梁合龙段受力及参数影响分析

■郑瑞程

（福建省海盛交通投资有限公司，三明 365000）

预应力箱梁受力特点复杂， 尤其在箱梁合龙段，钢绞线分布密集，梁高较低且底板厚度小，是施工的薄弱点[1-4]，研究预应力混凝土连续箱梁合龙段受力特点及相关参数影响具有重要的意义。

近年来，国内学者对此进行了一些研究，主要有：孟磊[5]通过建立有限元桥梁模型，对不同合龙方案下的主梁应力、挠度变化规律进行对比分析，研究结果可为桥梁的合龙设计提供参考。

邱豪侠等[6]通过对桥梁建设全过程模拟，研究了拆桥施工桥跨结构的受力特性，并建议施工过程中要注意检查并及时加固梁墩的临时支撑。

赵永鹏[7]和欧从庆[8]以连续梁桥为研究对象，研究了混凝土连续梁桥的施工工艺，提出了施工关键控制方案。

本文以某混凝土箱梁合龙段为研究对象，采用数值模拟的方法对箱梁施工过程中的底板受力和变形进行分析，重点分析了箱梁自重、纵向预应力和张拉时机等因素对箱梁底板横向受力的影响，以期为箱梁底板加固提供参考和借鉴。

某高速公路起止桩号为K155+638～K162+881，全长7.243 km，由大桥、互通匝道和路基组成。

互通匝道为混凝土箱梁，设计速度为60 km/h。该区地层主要为第四系全新统（Q4）、第四系更新统白沙井组（Q2b）。

现浇箱梁采用单箱形截面，钢管桩支架施工；
箱梁标准截面为：顶板宽12000 mm，底板宽6000 m，顶板悬臂长2500 mm，箱梁梁高为2600 mm，跨中段底板厚240 mm，顶板厚260 mm，腹板厚450 mm；
箱梁在支座处设置横隔梁， 墩顶横隔梁厚2200 mm，端横隔梁厚1500 mm。

通过设置楔形块，采用顶底板平行，整体倾斜达到2%横坡的目的。

箱梁采用纵向预应力体系，纵向预应力束一次张拉完成。

钢绞线采用抗拉强度标准值为1860 MPa 的高强度低松弛钢绞线。

由于合龙段钢绞线分布密集，梁高较低且底板厚度小，加上桥梁跨中为薄弱点，因此，本次选择箱梁跨中合龙段及左右相邻段组成3 个节段进行建模，箱梁长度为32 m。

2.1 建立模型

如图1 所示，采用ANSYS 软件进行建模分析，选择箱梁跨中合龙段及左右相邻段组成3 个节段进行建模， 箱梁长度为32 m，x 轴、y 轴方向分别为箱梁截面横向和截面高度方向，规定以向上、向右为正方向，反之为负。

z 轴为箱梁走向方向，规定从边跨到跨中为正方向。

模型建立过程中，预应力钢筋采用link8 杆单元模拟，混凝土采用solid65 单元建立，预应力张拉控制值为1860 MPa，模型中共有32018 个节点，共27846 个单元。表1 为混凝土和预应力钢筋力学参数。

图1 数值模型图

表1 模型材料参数

2.2 计算方式

采用有限元软件ANSYS 进行数值计算时，其流程主要包括3 层， 即从设计变量到状态变量，最后到目标函数，具体如图2 所示。

图2 ANSYS 优化设计流程示意图

3.1 箱梁底板受力及变形分析

图3 为合龙段箱梁底板整体竖向应力云图，由图可知， 箱梁截面腹板内侧结构处于受拉状态，腹板外侧底板附近处结构处于受压状态，由于最大拉压应力分别位于腹板内外两侧，因此，在上部长期交通荷载的作用下， 该位置处容易出现开裂破坏。图4 给出了合龙段截面竖向应力云图， 由图可知，最大拉应力值为1.60 MPa，位于腹板内侧靠近底板处；
最大压应力值为0.96 MPa，位于腹板外侧靠近底板处， 最大拉压应力出现位置即为钢束位置附近，在长期荷载的作用下，如果该位置处箍筋设置不足将会导致底板出现开裂破坏现象。

图3 合龙段箱梁底板整体竖向应力云图

图4 合龙段截面竖向应力云图

图5 为底板中线沿箱梁纵向横向应力变化曲线，由图可知，箱梁底板中线位置处底板横向拉应力值最大， 从中线向两侧底板横向拉应力逐渐减小，因此，在底板位置处容易出现开裂破坏现象。

图5 底板中线沿箱梁纵向横向应力变化曲线

图6 为合龙段跨中截面竖向位移云图，由图可知，箱梁底板中心处发生位移下沉，最大沉降值为2.72 mm。

图6 合龙段跨中截面竖向位移云图

综上可知，由于箱梁跨中底板厚度小以及跨中底板布设的预应力钢筋较多等原因，箱梁合龙段底板处拉应力和变形较大，是箱梁的薄弱位置，在外界长期荷载作用下易产生纵向裂缝破坏。

3.2 箱梁底板横向受力影响因素分析

为了研究分析影响箱梁纵向裂缝的因素，考虑从改变箱梁自重、纵向预应力和预应力张拉时机等3 个重要因素出发， 对箱梁底板横向受力的影响因素进行分析。

图7 给出了梁体自重变化对箱梁底板横向应力影响曲线，分别取梁体自重为1 倍、1.1 倍和1.2倍自重进行研究分析。

由图可知，不同箱梁自重下箱梁底板横向应力变化规律基本一致，即箱梁自重会引起箱梁底板中线处产生较大的横向拉应力，且横向拉应力由两侧节段向合龙段逐渐增大。

随着箱梁自重的增大，箱梁底板横向应力随着增大，梁体自重取1 倍、1.1 倍和1.2 倍时对应的底板最大横向应力值分别为0.62 MPa、0.69 MPa 和0.77 MPa， 相比于梁体自重取1 倍时， 梁体自重取1.1 倍和1.2 倍时对应的底板最大横向拉应力值分别增大了11.3%和24.2%， 说明箱梁自重的增加会导致箱梁底板最大拉应力大幅增大，从而增大箱梁底板的开裂风险。

图7 梁体自重变化对箱梁底板横向应力影响曲线

图8 给出了箱梁底板纵向预应力变化对底板横向应力影响曲线，分别取箱梁底板纵向预应力为1 倍、0.95 倍、0.90 倍和0.85 倍预应力值进行研究分析。

由图可知，不同纵向预应力值下均会引起箱梁底板中线附近处产生较大的横向拉应力，其中距离底板边缘左右两侧1 m 处底板横向应力最大，由合龙段向两侧节段横向拉应力逐渐减小，同时压应力增大。箱梁底板纵向预应力为1 倍、0.95 倍、0.90倍和0.85 倍时对应的底板最大横向应力值分别为3.32 MPa、3.01 MPa、2.67 MPa 和2.46 MPa，相比于底板纵向预应力为1 倍时，箱梁底板纵向预应力取0.95 倍、0.90 倍和0.85 倍时对应的底板最大横向拉应力值分别减小了9.3%、19.6%和25.9%，说明通过减小底板纵向预应力值可以有效减小箱梁底板拉应力值，从而降低箱梁底板的开裂风险。

图8 箱梁底板纵向预应力变化对底板横向应力影响曲线

根据GB50010－2019《混凝土结构设计规范》规定，浇筑后的混凝土在养护28 d 左右时达到最大强度。

为了探究箱梁不同混凝土张拉龄期对底板横向应力的影响， 取箱梁混凝土张拉龄期为3 d、5 d、7 d、14 d 和28 d 进行分析，如图9 所示。由图可知，随着混凝土张拉龄期的增大，箱梁底板横向应力增大。为了更好地分析龄期对箱梁底板应力影响，图10给出了箱梁跨中截面底板横向应力变化曲线图，由图可知，龄期为3 d、5 d、7 d、14 d 和28 d 对应的底板最大横向应力值分别为2.46 MPa、2.52 MPa、2.57 MPa、2.61 MPa 和2.65 MPa，相比于龄期取3 d时，龄期取5 d、7 d、14 d 和28 d 时对应的底板最大横向拉应力值分别增大了2.4%、4.5%、6.1%和7.7%，即在龄期7 d 后（此时混凝土强度已达到设计28 d 强度的90%）进行合龙束张拉，底板最大横向拉应力增长率变得缓慢。

考虑到龄期太短时混凝土强度达不到设计要求，建议在混凝土达到设计28 d 强度的90%，即在龄期7 d 左右时进行张拉施工，从而实现在保证施工安全的前提下降低底板应力。

图9 底板预应力张拉时机对底板横向应力影响曲线

图10 跨中截面底板横向应力随龄期变化曲线

以某混凝土箱梁合龙段为研究对象，采用数值模拟的方法对箱梁施工过程中的底板受力和变形进行分析，重点探究了箱梁自重、纵向预应力和张拉时机等因素对箱梁底板横向受力的影响，得到以下结论：（1）箱梁跨中底板厚度小，跨中底板布设的预应力钢筋较多，导致箱梁合龙段底板处拉应力和变形较大，此为箱梁的薄弱位置，在外界长期荷载作用下易产生纵向裂缝破坏；
（2）梁体自重增大为1.1 倍和1.2 倍时对应的底板最大横向拉应力值分别增大了10.9%和23.4%， 说明箱梁自重的增加会导致箱梁底板最大拉应力大幅增大，从而增大箱梁底板的开裂风险；
（3）不同纵向预应力值下距离底板边缘左右两侧1 m 处底板横向应力最大，在一定条件下通过降低底板纵向预应力值可以有效减小箱梁底板拉应力值， 从而降低箱梁底板的开裂风险；
（4）在混凝土达到设计28 d 强度的90%，即在龄期7 d 左右时进行张拉施工，可以实现在保证施工安全的前提下降低底板应力。