连续刚构桥箱梁应力和跨中挠度与预应力损失的关系研究

连续刚构桥箱梁应力和跨中挠度与预应力损失的关系研究

摘要：本文结合工程实例，对连续刚构桥梁跨中下挠过大的主要原因进行分析，得到预应力损失与连续刚构跨中挠度及箱梁上下缘应力的关系，提出控制跨中下挠过大的一些建议。

关键词：跨中挠度 箱梁应力 预应力损失

大跨径连续刚构桥在使用若干年后，一般会出现跨中下挠的病害。归纳总结前人经验，普遍的观点认为：对混凝土收缩徐变的累计效应估计不足、预应力钢筋没有采取下弯方式、预应力损失过大、箱梁腹板总厚度偏小、箱梁总体刚度偏小、没有按施工规范操作等因素均是目前下挠量远远超出设计预拱度的原因。本文以跨径布置为108+2×185+108m板沙尾特大桥为依托工程，重点研究预应力损失对连续刚构跨中挠度及箱梁应力的影响，寻找影响大跨径预应力混凝土梁桥跨中挠度最主要因素。

1、工程概况

板沙尾特大桥跨越佛山市顺德区容桂水道，大桥主桥为108+2×185+108m三向预应力混凝土连续刚构。板沙尾特大桥上部箱梁采用C60混凝土；箱梁采用三向预应力体系；箱梁根部至跨中的梁高及底板厚度均按1.75次抛物线变化，梁高变化方程式H（x）＝4.3+

10.8?4.31.751.2?0.31.75xx。 ，底板厚度变化方程式d（x）＝0.3+1.751.7587872、建立模型

采用MIDAS软件建立板沙尾大桥的结构模型，模拟实际施工过程进行计算，分析预应力损失对跨中挠度的影响。全桥共234个单元，其中1～174为箱梁单元，175～234为桥墩单元，共划分为82个施工过程。结构计算模型如图1所示。

图1 板沙尾特大桥计算模型

3、计算分析

连续刚构预应力损失过大，会引起箱梁腹板斜向裂缝和顶板裂缝，而裂缝的增多将会影响横截面的刚度和结构的整体刚度，从而影响结构内部应力的大小和分布，增大梁的挠度。普遍的观点认为：纵向预应力的损失对刚构桥梁挠度的影响更为明显，纵向预应力损失增大，对混凝土的压力越来越小，其作用机理等价于在混凝土截面上施加一个反向的拉力。在反向拉力的作用之下，换算到各个截面的中性轴位置，会产生一个使结构产生向下弯曲变形的弯矩，即纵向预应力损失的作用结果是使得跨中下挠。

为了研究纵向预应力损失对跨中挠度的影响，本文用预应力折减的方法来模拟预应力损失。首先假设顶板预应力和跨中底板预应力分别减小10%、20%、30%，看顶板束和底板束对跨中挠度的影响。再对顶板束和底板束进行组合看对跨中挠度的影响，具体组合为：组合1为顶板折减10%、底板折减10%；组合2为顶板折减20%、底板折减20%；组合3为顶板折减30%、底板折减30%。

3．1 预应力损失对跨中挠度的影响

在顶板预应力和跨中底板预应力减小时，跨中挠度计算结果如表1、表2所示。

表1 顶、底板预应力折减对跨中最大位移的影响（单位：cm） 项目 成桥时跨中最大位移 3年后跨中最大位移 10年后跨中最大位移 原设计 -1.4 -2.3 -3.0 顶板减小10% -2.5 -3.7 -4.5 顶板减小20% -3.7 -5.1 -6.1 顶板减小30% -5.0 -6.8 -7.9 底板减小10% -1.6 -2.6 -3.3 底板减小20% -1.8 -2.9 -3.7 底板减小30% -2.0 -3.3 -4.1 从表1可以看出在顶板折减30%时，成桥时跨中最大挠度增大3.6cm，10年后的跨中最大挠度增大4.9cm；在底板折减30%时，成桥时跨中最大挠度增大0.6cm，10年后的跨中最大挠度变化1.1cm。

表2 顶、底板组合预应力折减对跨中位移的影响（单位：cm） 项目 成桥时跨中最大位移 3年后跨中最大位移 10年后跨中最大位移 原设计 -1.4 -2.3 -3.0 组合1 -2.7 -4.0 -4.8 组合2 -4.1 -5.8 -6.7 组合3 -5.8 -7.9 -9.1 附注：组合1、2、3分别表示为顶板与底板预应力同时折减10%、20%、30%。

从表2可以看出，在顶底板预应力折减30%的情况下，3年后的跨中最大挠度为7.9cm，较原设计挠度增大5.6cm，10年后的跨中最大挠度为9.1cm，较原设计成桥时挠度增大7.7cm。

3.2 预应力损失对箱梁应力的影响

对不同的预应力损失组合情况下的墩顶和跨中上下缘应力进行对比分析，并结合不同预应力损失组合的跨中挠度，寻找箱梁应力分布状态与跨中挠度大小的关系。

表3 组合预应力折减对应力的影响（单位：MPa）

项目 原设计 组合1 组合2 组合3 墩顶 上缘 14.4 11.7 8.9 5.8 下缘 10.6 11.2 11.8 13.1 上缘 6.4 4.8 4.5 4.2 跨中 下缘 9.0 7.1 6.1 4.9 附注：组合1、2、3分别表示为顶板与底板预应力同时折减10%、20%、30%。

墩顶上缘 墩顶下缘9 Mpa8 Mpa12 Mpa14 Mpa 跨中上缘 跨中下缘应力值应力值7 Mpa6 Mpa5 Mpa4 Mpa10 Mpa8 Mpa6 Mpa3 Mpa原设计组合 1组合 2组合 3原设计组合 1组合 2组合 3不同预应力折减组合不同的预应力折减组合

图2 预应力折减组合下的墩顶应力

图3 预应力折减组合下的跨中应力

从表3和图2、3中可以看出：按原设计，墩顶箱梁上缘应力大于下缘应力，跨中下缘应力大于上缘，在徐变的作用下这样的应力状态引起的跨中挠度很小；但是随着预应力损失的增大，墩顶上缘应力由14.4MPa减小到5.8MPa，同时下缘的应力由10.6MPa增大到13.1MPa，即墩顶负弯矩区附近箱梁截面上缘压应力远小于下缘压应力，在徐变的作用下这种应力分布状态会引起较大的跨中挠度。

4、小结

通过对板沙尾特大桥的计算，对比分析了不同预应力损失情况对跨中挠度及箱梁应力的影响，可以发现：

（1）顶板束预应力和跨中底板合龙束预应力损失对长期挠度均有较大的影响，而顶板束预应力损失对跨中挠度的影响更大。

（2）成桥后徐变引起的挠度大小与成桥时沿箱梁截面的压应力梯度分布有很大的关系。当墩顶负弯矩区附近箱梁截面上缘压应力远小于下缘压应力时，会引起较大的徐变挠度。

（3）在设计时可以通过配置多一些顶板预应力钢筋，优化墩顶负弯矩区附近箱梁截面应力分布状态，从而减小成桥后的徐变挠度，有效控制跨中下挠。

参考文献：

[1]刘山洪.大跨径PC连续刚构桥后期下挠控制措施研究[C].第十七届全国桥梁学术会

议论文集(下册),2006年.

[2]岁凤林,谢郑珠.预应力混凝土连续刚构桥的几个问题探讨[J].中国公路，2004(20). [3]陈万春,马建秦.大跨度连续刚构桥加固施工监浏与控制[J].公路，2004(10). [4]王法武.大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究[D]. 上海:同济大学,2006. [5]岁凤林,谢郑珠.预应力混凝土连续刚构桥的几个问题探讨[J].中国公路，2004(20).