黄凯楠

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

在预应力混凝土结构中,通常先浇筑混凝土,后通过预留预应力孔道的方法对预应力筋进行张拉。部分大体积结构如桥梁的薄壁高墩、曲线梁等[1],空间受力较复杂,预应力筋通常会出现定位偏差的不良工程现象[2]。此外,预应力的偏位还将导致有效预应力不足、结构开裂等病害[3],并在使用过程中进一步加剧其不利影响。

本文以某渡槽为例,利用三维有限元计算软件分析预应力偏位导致的整个施工阶段及运营阶段的最不利影响[4],并探讨此类结构的施工优化设计处理方法[5],为以后同类型施工现象提供有益参考。

1 工程概况

某渡槽位于广西境内,跨越红水河。主槽上部结构为预应力混凝土变截面箱梁,槽墩及基础均为钢筋混凝土结构,其中2#墩为双肢实心墩,桩基采用4根φ2 m圆形孔桩,承台为矩形钢筋混凝土;1#、4#墩为薄壁空心墩,桩基采用4根φ2 m圆形孔桩,承台为矩形钢筋混凝土;5#槽墩桩基采用2根φ1.5 m圆形孔桩;6#槽墩为重力墩,桩基采用2根φ1.5 m圆形孔桩,承台为矩形钢筋混凝土;7#槽台为重力式槽台,采用扩大基础。渡槽主槽上部箱梁采用挂篮分段浇筑,悬臂对称施工;渡槽两端引槽段的简支式预应力混凝土箱梁渡槽采用现浇施工方法。1#～4#槽墩均采用翻模法施工,其他槽墩采用支架法施工。

2 槽墩预应力筋偏位检测情况

渡槽2#槽墩设计为双肢实心薄壁槽墩,墩高16.5 m,单肢槽墩内设计有双排预应力钢束(每排8束共16束),钢束单根长26.26 m,承台内预埋2.5 m,墩身内预埋16.5 m,0#块内预埋6.66 m,布置图见图1。

图1 2#槽墩顺、横槽向预应力钢束立面布置图(mm)

在槽墩及0#块施工完成后的现场调查发现,2#槽墩竖向预应力钢束的空间布置与设计图纸存在偏差,经检测发现竖向预应力筋在横桥向方向上偏位,偏位导致预应力筋张拉后的施工与运营期间,在槽墩钢束偏位及荷载作用下可能出现桥墩混凝土局部崩坏或开裂。

检测报告的结果显示,2#槽墩4个立面(4组预应力筋所处平面,以小桩号→大桩号编号分别为①～④)上的预应力筋均存在不同程度的偏位情况,横桥向偏位达-190～270 mm。现场检测中隔板截面位置偏位及立面横、纵向偏位检测结果示意如下页表1所示。

表1 隔板截面位置偏位及立面横、纵向偏位检测结果表

3 模型的建立

3.1 计算思路

根据工程实际的施工方案及规范的要求,本次计算分为64个施工阶段和73个运营期荷载组合,若全部采用实体模型工作量十分巨大。为分析施工过程和运营期间槽墩混凝土局部受力情况,本文提出利用梁单元计算施工及运营期对槽墩产生最不利影响的四组最大内力工况,分别为最大弯矩、最大主梁轴力、最大主梁不对称轴力、最大主梁不对称弯矩工况,通过建立槽墩的整体及局部受力计算模型,对比预应力钢束偏位与设计状态两种结构槽墩竖向预应力筋所在截面混凝土的受力状态,进行槽墩的整体模型与实体局部模型两方面的验算,分析施工期和运行期的槽墩受力状况,从而将局部模型简化为9种模型(含张拉工况),以此来分析整个生命周期槽墩的最不利工况影响。

3.2 杆系模型

本次采用大型计算软件Midas Civil对渡槽建立有限元计算模型,并按“单梁模型”进行结构计算分析。有限元模型如图2所示。

图2 渡槽梁单元模型图

本次计算共划分为64个施工阶段,73个运营阶段的荷载组合根据规范进行取值,梁单元共计划分为394个单元,考虑以下因素的影响:

(1)混凝土、钢筋为理想弹性材料,混凝土、钢筋的弹性模量为常数。

(2)截面变形符合平截面假设。

3.3 局部模型

为了分析现状结构下预应力偏位对槽墩的局部受力影响,本文采用三维实体有限元软件建立有限元模型,建立包含0#～2#节段、2#槽墩、承台的局部有限模型(见图3～4),模型中混凝土使用C3D8R六面体单元进行模拟,总划分单元为14 937个。为计算0#～2#节段、2#槽墩、承台在整个施工周期及成桥状态下的局部空间受力,本节采用梁单元整体模型与局部模型结合的方式,将整个施工阶段及成桥状态整体梁单元模型中2#节段与3#节段相邻截面的内力值提取,以点-面耦合的方式施加到截面上,分析施工期和运行期的局部受力状况,模型外力荷载为重力和2#截面内力的和。

图3 网络划分图

图4 偏位预应力钢筋布置图

4 计算结果分析

4.1 梁单元计算最不利工况结果分析

分析渡槽的结构形式可知,影响槽墩最大主拉应力的结构内力主要为主梁轴力、弯矩以及主梁轴力、弯矩的不对称性四种因素。故局部模型选取的截面计算最大内力工况及两侧最大内力差值工况如表2及表3所示。

表2 局部模型选取的计算最大内力工况表

表3 局部模型选取的计算最大不对称内力工况表

将表2和表3中的内力值输入到局部实体模型当中,用于渡槽施工过程及运营期对偏位薄壁墩的影响,将上述内力施加于相应的控制点上,并将控制点通过点-面耦合的方式约束到主梁截面上,得到张拉工况、施工运营期薄壁墩局部的最大拉应力工况分别为工况1、工况6。

4.2 张拉工况薄壁墩应力计算

在工况1的作用下,2#槽墩偏位处的局部最大主拉应力为0.90 MPa,出现在②截面,计算结果见表4和下页图5,根据《混凝土结构设计规范》(GBS0010-2010)(以下简称《规范》)[6],顶板最大主拉应力小于规范允许值1.96 MPa的要求。

表4 工况1作用下2#槽墩②立面钢束折弯点混凝土拉应力值表(MPa)

图5 工况1作用下②立面混凝土主拉应力云图

4.3 施工和运营工况薄壁墩应力计算

在工况6的作用下,2#槽墩的偏位处局部最大主拉应力为0.91 MPa,出现在②截面,计算结果见下页表5和图6,根据《规范》,顶板最大主拉应力小于规范允许值1.96 MPa的要求。

表5 工况6作用下2#槽墩②立面钢束折弯点混凝土拉应力值表(MPa)

图6 工况6作用下②立面混凝土主拉应力云图

5 结语

本文依据雷达探测报告及现场调查结果,建立竖向预应力筋的横向、纵向偏位实体模型对左幅2#槽墩局部进行对比计算,提出杆系模型施工阶段分析与三维实体有限元静力分析相结合的模拟方法,建立从桥梁施工到运营全寿命周期的计算模型,分析预应力筋偏位对桥墩结构的影响,结论及建议如下:

(1)预应力筋的偏位对薄壁混凝土墩的局部产生较大的不利影响,在施工过程中应严格控制偏位;

(2)施工及运营过程中的荷载影响对预应力偏位导致的薄壁墩最大主拉应力的影响结果较小;

(3)因现场条件制约,竖向预应力筋在典型断面的纵向安装偏位难以测出,纵向预应力可能存在保护层厚度较小的情况,在张拉预应力时存在局部开裂的风险。因此,建议在设计允许且槽墩满足受压安全储备的前提下可适当地减小预应力张拉值,减小局部开裂的风险。