斜拉桥横梁预应力储备分析
2018-04-16
1 工程概况
红枫湖特大桥位于沪瑞国道主干线清镇至镇宁公路上，跨越红枫湖。主桥为30m+102m+185m的独塔双索面预应力混凝土斜拉桥。大桥主梁截面采用双实心边主梁形式，为双向预应力混凝土结构。节段基本长度8m，横梁的基本间距8m。主梁与主塔承台固结长度为6.1m。除主塔根部两根横梁为钢筋混凝土结构外，其余横梁均设有预应力束。
2 问题提出
边主梁截面形式的大跨度混凝土斜拉桥，梁上拉索间距一般为6～8米，两根拉索之间设置一道横梁。桥面较宽时，横梁采用预应力结构。横梁施加预应力后，其预应力储备及其均匀性将关系到后期荷载作用下结构的安全。悬臂施工中，如果各横梁的预应力束随施工进程在当前阶段内全部张拉完毕，虽然方便施工，但会造成同一块件的两根横梁受力不均，对桥梁整体受力产生不利影响。
为改善横梁受力，红枫湖特大桥采用了分阶段张拉横梁预应力束的方法。大桥各横梁内分别设有3束预应力束（N1、N2、N3），具体张拉顺序：1＃块浇注完毕后，张拉横梁h0的N1、N2、N3钢束和h1的N1、N3钢束；2＃块浇注完毕后，张拉横梁h1的N2钢束和h2的N1、N3钢束；3＃块浇注完毕后，张拉横梁h2的N2钢束和h3的N1、N3钢束……依此类推，进行前方块件横梁的预应力张拉。
3 预应力储备分析
3.1 预应力等效处理
预应力效应采用等效节点力处理，将预应力对梁单元的作用等效为四种荷载作用，如图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为等效轴力；Qi，Qj为等效剪力；Mi，Mj为等效弯矩；q为等效均布荷载；Di，Dj为梁单元端部预应力束的偏心矩；DC为梁单元中部预应力束的偏心矩；T为考虑了各项损失后单元的有效预应力值。
建立三维实体模型，因塔柱中心线两侧3.05m范围内主梁与承台固结，建模时将距塔中心线3.05m处断面设为固定端，形成悬臂结构体系。
选取与横梁h1应力变化关系密切的几个工况进行受力分析：工况一，横梁h1的N1、N3钢束张拉完毕；工况二，1#块纵向预应力束张拉完毕；工况三，1#索张拉265t；工况四，横梁h2的N1、N3钢束和横梁h1的N2钢束张拉完毕；工况五，2#块纵向预应力束张拉完毕；工况六，2#索张拉188t。计算结果与横梁h1应力实测结果比较见表1。
注：Ss――上缘应力计算值；Sx――下缘应力计算值；Ss测――上缘应力测量值；Sx测――下缘应力测量值。
应力计算与实测结果基本吻合，预应力等效处理能较好的反映构件的实际受力状态。
3.2 内力计算
根据11#施工节段以前的各施工工况，利用有限元分析软件建立空间模型。边主梁和横梁简化成三维框架单元，横梁预应力按施工程序等效加载。横梁内力计算结果详见表2。
3.3 结果分析
①n#块件浇注完毕并张拉预应力束后，其横梁的轴力值仅为张拉力的86％。由于边主梁的约束作用，其余14％的张拉力作用将由其他横梁分担，横梁h(n-1)分担最多，当悬臂段很长时，横梁h0分担的张拉力基本为零。
②由于塔梁墩固结，主梁根部受到塔墩的强大约束作用，其横向变位很小，导致0#块件附近预应力束张拉作用难以作用到横梁上，横梁预应力储备很小。横梁h0自身预应力束张拉引起的轴力仅为其张拉力的26％。当横梁h11张拉完毕后，横梁h0的预应力储备也只能达到设计值的46％。
③随施工进行，主梁块件数逐渐增多，横梁之间预应力作用的相互分担趋于均匀（横梁h0、h1除外），横梁的预应力储备均达100％左右。
4 结束语
利用预应力等效模型进行横梁内力分析行之有效，计算结果基本能够反映结构的实际受力状态。分阶段张拉横梁预应力束有利于平衡各横梁的预应力储备，使横梁的受力趋于合理。理论计算结果表明，红枫湖特大桥除塔根部附近的横梁预应力储备较小外，其他横梁的预应力利用充分。
参考文献：
[1]林元培.斜拉桥.北京:人民交通出版社，1994.
[2]邓新安.斜拉桥的施工控制.中国港湾建设，2001，5:34～37.
[3]葛耀君.分段施工桥梁分析与控制.北京:人民交通出版社，2003.
作者简介：郑晖（1979-），女，辽宁鞍山人，工程师，从事市政桥梁设计工作。
