(1.湖南省交通水利建設集團有限公司，湖南 長沙 410004; 2.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

0 引言

預應力混凝土梁橋在我國是一種應用極為廣泛的橋型，其結構體系簡單明確，受力性能良好，施工工藝成熟，在梁橋施工中，頂推法因不受場地限制，可有效解決上跨高速公路、鐵路等橋址問題，因此在梁橋中占有較為重要的地位。但是，對于采用頂推施工工藝的預應力混凝土梁橋，在實際施工中，由于滑道脫空導致的混凝土開裂現(xiàn)象尤為嚴重，其中支座沉降、滑道高程存在偏差、箱梁底板不平整等均有可能造成滑道脫空，滑道脫空會造成梁體約束條件減少，結構體系發(fā)生改變，主梁受力也會隨之發(fā)生改變，滑道脫空時，滑道上支座反力將會發(fā)生重分布，部分局部集中應力也會造成梁體和滑道損壞，降低梁體的安全儲備。目前在對頂推橋梁的研究中，主要集中于雙滑道頂推，對多滑道頂推研究較少，多滑道脫空的影響效應更為寥寥。無論是實際施工中還是成橋運營后，橋梁上部結構工作狀態(tài)都會受到橋梁下部支撐的影響。在頂推過程中滑道受力不僅影響著滑道本身的工作狀態(tài)，同時也會影響到與滑道接觸局部梁體的工作狀態(tài)。

本文以某頂推連續(xù)箱梁為研究對象，討論滑道脫空對滑道反力分布及梁體受力性能影響規(guī)律，相關研究成果可為頂推梁橋混凝土開裂機理分析及加固處理提供借鑒。

1 工程概況

本文研究對象為某頂推連續(xù)PC箱梁，橋梁全長104 m，跨徑組合(32+40+32)m，上部結構混凝土標號C55，采用單箱三室截面，下部結構為柱式墩，橋墩混凝土材料C40，因橋址跨越高速公路，為不影響交通通行，施工時采用分段澆筑、多滑道逐段頂推法，整體劃分5個梁段，頂推總長112 m，其中1#、3#、5#梁體長24 m，2#、4#梁體長16 m。在橫向位置布置4條滑道，滑道A和滑道D設在兩邊腹板的位置，滑道B和滑道C設在中腹板的位置,見圖1。

圖1 橋梁頂推示意圖(單位:cm)Figure 1 Schematic diagram of bridge pushing (Unit:cm)

2 有限元模擬

為精準模擬該橋頂推過程中滑道脫空的影響效應，使用ANSYS APDL建立該橋全過程有限元仿真命令流。主梁混凝土實體部分使用Solid 65三維實體單元模擬，鋼導梁使用Beam44梁單元模擬，主梁預應力使用link8桿單元模擬，混凝土實體與鋼導梁之間通過建立剛域連接，與預應力之間使用Ceintf命令建立約束方程，確保其形成整體參與受力，預應力荷載通過降溫法施加，在有支撐反力的橋墩處，施加豎向約束和橫向約束，在最后一個橋墩處施加水平約束，使結構保持為幾何不變體系。所有豎向支承(包括各永久墩和臨時墩)，均采用“一般約束”進行模擬，同時在主梁最前端施加水平約束DX(橋的縱向)，基于“墩動梁不動”的建模思想，調(diào)用ANSYS中“單元生死”功能模塊，模擬主梁頂推過程，見圖2。

圖2 整體有限元模型示意圖Figure 2 Schematic diagram of the overall finite element model

3 頂推過程中支反力分布規(guī)律分析

使用ANSYS對該橋頂推全過程進行仿真模擬并提取支反力變形結果，計算結果表明：預制完每一梁段將梁段頂推出預制平臺時，隨著梁體不斷的向前頂進，預制平臺處臨時墩的支反力在減少，永久墩、臨5#墩和臨6#墩的支反力在增大。0#臺的反力變化幅度比較大，在頂推68～72 m(施工節(jié)段75～79)出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象；臨5#墩的支反力相對0#臺來說變化較為平緩；隨著梁體向前推進，1#墩和臨6#墩從無支反力到有支反力并逐漸增大，達到峰值后又逐漸減少；2#墩和3#臺的反力隨著梁體向前推進從零開始漸漸增大,見圖3。

預制梁段2(施工節(jié)段27)和4(施工節(jié)段71)時由于梁段長度短，梁段沒有位于臨1#墩的上方，臨1#墩的反力為零。預制梁段1、3和5(施工節(jié)段27、44和89)時臨1#墩反力增加，達到當前階段峰值，伴隨梁段向前頂出，臨1#墩支反力逐漸減少。在預制梁段3(施工節(jié)段44)完成后將梁體頂出預制平臺時，臨1#墩出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象。臨2#墩支反力的變化規(guī)律和臨1#墩的基本相似，預制梁段或者預制梁段完成后的某個頂推階段反力達到峰值然后逐漸減小，在個別梁段尾端將要頂推過臨2#墩時出現(xiàn)脫空。臨3#墩和臨4#墩支反力在梁段尾端將要頂推過或者到達本墩墩頂時會出現(xiàn)脫空的情況。

圖3 1#～6#臨時墩頂推支反力變化情況Figure 3 Changes in the reaction force of 1#～6# temporary pier thrust

4 滑道脫空對滑道反力分布的影響

為得到箱梁頂推過程中滑道脫空時其支反力及梁體受力規(guī)律，考慮4條滑道各種組合下分別脫空對其的影響，并于滑道不發(fā)生脫空現(xiàn)象時進行對比，具體如表1所示。

根據(jù)ANSYS整體有限元計算結果，當頂推至42 m時為最大懸臂工況，此時梁體處于最不利狀態(tài)，以該狀態(tài)為分析對象，分析以上11種工況下滑道反力、主梁受力等響應特點。

表2給出了11種滑道脫空工況下4條滑道支座反力的變化情況，計算結果表明：①無論是單滑道脫空還是中滑道脫空，都會引起相鄰滑道反力迅速增大。對于單滑道脫空工況，邊滑道脫空對滑道反力的影響效應更為顯著，在工況5作用下，滑道

表1 滑道脫空工況劃分表Table1 Divisionofslipwayemptyingconditions工況編號工況說明工況1滑道未脫空工況工況2滑道A出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況3滑道B出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況4滑道C出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況5滑道D出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況6滑道A、滑道B出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況7滑道A、滑道C出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況8滑道A、滑道D出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況9滑道B、滑道C出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況10滑道B、滑道D出現(xiàn)脫空現(xiàn)象工況11滑道C、滑道D出現(xiàn)脫空現(xiàn)象

C支座反力增量為1 449.7 kN，工況2作用下，滑道B反力絕對值達到3 016.6 kN，不管是支座反力絕對值還是增量均大于中滑道脫空工況；②對于兩滑道脫空工況，最大反力增量工況出現(xiàn)在工況6，其值為3 765.8 kN，最大反力工況出現(xiàn)在工況11，其值為5 259 kN。

綜上所述,對于單滑道脫空，邊滑道脫空相對于中滑道脫空更加危險；對于兩滑道脫空，同側邊中滑道脫空引起的滑道反力相對原滑道的增量最大，且最大反力發(fā)生在同側邊中滑道脫空，異側邊中滑道和中間兩滑道次之，邊上兩滑道最小。

表2 各工況下滑道反力表Table2 ReactionforcetableofglideslopeunderdifferentworkingconditionskN工況滑道A/kN滑道B/kN滑道C/kN滑道D/kN工況111261648.51486.91193.2工況2—3016.61293.3951.88工況31852.9—2261.71140.5工況41078.22329.6—1852工況5865.041444.62936.6—工況6——5252.7—工況7—3813.9—1609.3工況8—2730.12682.5—工況92685.9——2705.4工況101598.2—3820.2—工況11—5259——注:“-”表示滑道脫空,無反力值。

5 滑道脫空對主梁應力及節(jié)段變形的影響

以1#墩為例，表3給出了各種工況下頂?shù)装宓淖畲髩簯χ?，除工況6外，其他各工況下主梁均未出現(xiàn)拉應力。對于單滑道脫空和雙滑道脫空兩種情況，雙滑道脫空影響效應總體上更為明顯。計算分析結果表明：①單滑道脫空時(工況2～工況5)，除工況3因滑道B脫空使得頂板的最大壓應力增加外，其余各工況下頂板的最大壓應力均有一定程度的降低，底板最大壓應力有所增加；②兩滑道脫空(工況6～工況11)時，同側邊中滑道脫空(工況6和工況11)對底板壓應力的增加效應要大于其他工況，邊滑道脫空對壓應力的影響最??；③工況7、工況8和工況11中無滑道B脫空，所以頂板最大壓應力減小，梁段整體頂板最大壓應力與滑道未脫空工況相比有所降低，工況6、工況9和工況10中因存在滑道B脫空，故頂板最大壓應力增加，底板最大壓應力基本均處于降低趨勢；④工況6作用下，頂板壓應力儲備減小，出現(xiàn)了拉應力，其值為0.858 MPa。

表3 各工況下箱梁頂?shù)装遄畲髴Ρ鞹able3 Tableofmaximumstressofboxgirdertopandbottomplatesundervariousworkingconditions(MPa)工況頂板最大壓應力/MPa底板最大壓應力/MPa工況1-5.4261-11.996工況2-4.738-11.39工況3-6.1998-11.951工況4-5.050-13.321工況5-5.4095-8.6896工況6-6.1575-9.2389工況7-4.6633-10.149工況8-5.0032-8.8202工況9-6.1941-12.552工況10-6.0595-8.8744工況11-3.9464-8.4485

在1#附近選取箱梁典型截面，圖4給出了部分工況下箱梁節(jié)段變形圖。計算結果表明：無滑道

工況1

工況3

工況5

工況7

工況9

工況11圖4 各工況下箱梁節(jié)段變形圖(mm)Figure 4 Deformation diagram of box girder segments under various working conditions (mm)

6 結論

通過建立某頂推PC箱梁ANSYS參數(shù)化有限元模型，對頂推過程中滑道脫空工況下支反力分布、主梁應力及變形規(guī)律進行了分析，可得到以下結論：

a.在箱梁頂推過程中，滑道脫空對其支反力分布影響很大，其中，雙滑道脫空影響更甚。對于單滑道脫空現(xiàn)象，引起的支反力增量最大為1449.7 kN，而對于雙滑道脫空現(xiàn)象，其支反力增量最大可達3 765.8 kN，增幅為253.3%，在實際施工時嚴密監(jiān)控滑道狀態(tài)，避免發(fā)生滑道脫空，特別是對于多滑道頂推要謹防同側邊中滑道同時發(fā)生脫空。

b.單滑道脫空與多滑道脫空對主梁應力變化影響規(guī)律大致相同，均會造成主梁頂板壓應力降低，底板壓應力增大。

c.滑道脫空時，主梁節(jié)段變形基本呈橫向分布，從該滑道至臨近區(qū)域段的梁體呈下?lián)馅厔?，其余梁體出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。單滑道脫空時邊滑道脫空引起梁體下?lián)陷^大，多滑道脫空中同側邊中滑道脫空引起梁體下?lián)厦黠@大于其他脫空工況。