預應力混凝土箱梁進人孔設置分析

滿粟 胡登峰

摘要：結合武漢二環線楊泗港快速通道四新段預應力混凝土箱梁施工的工程實際，利用有限元軟件ANSYS及MIDAS-civil計算了箱梁頂板進人孔設置對橋梁結構整體受力的影響，以及預應力張拉過程中不同尺寸的進人孔局部的應力分布和變化，指出對于單箱多室的混凝土箱梁進人孔設計及施工中應注意的問題。

關鍵詞：混凝土箱梁；單箱多室；進人孔；受力分析。

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

1、工程背景

楊泗港快速通道是武漢市“三環、十三射”中的“一射”，全線由四新段、楊泗港長江大橋過江段、青菱段3段組成，其中四新段工程位于漢陽新區，西起龍陽大道，東至國博大道立交區線路全長5.67公里，主線采用高架+地面輔道的布置形式，包含陶家嶺、四新、國博三座立交橋。本文以四新段第三標段（sk1+200-sk4+000）中第26聯為研究對象進行現澆預應力混凝土箱梁施工進人孔留置大小的研究。

三標段第26聯橋跨布置為3×28m，截面形式為26m寬的單箱三室等截面箱梁，如圖1所示，

圖1 箱梁截面構造

2、箱梁進人孔布置及整體建模分析：

施工人孔位于箱梁頂板，以豎向受力最不利工況對進行人孔布置，將進人孔縱向布置在每跨跨中位置，橫向布置在每個箱室中心線上，且將進人口留設置在同一水平斷面上，進行整體受力分析。

2.1整體受力分析工況

工況一：（無人空模型）自重

工況二：（有人孔模型）自重

預應力在整體受力分析時以內力形式作用于人孔，整體豎向受力分析可不考慮預應力作用，運用有限元軟件分別建立有、無人孔模型，如圖2.1,2.2所示，進行自重作用下的受力分析。

圖2.1無人孔整體模型

圖2.2有人孔整體模型

2.2分析結果

圖2.3：無人孔梁自重作用下的彎矩圖

圖2.4：有人孔自重梁作用下的彎矩圖

圖2.5：有人孔自重梁作用下的剪力圖

圖2.6：有人孔自重梁作用下的剪力圖

圖2.7：無人孔梁自重作用下的位移圖

圖2.8：有人孔梁自重作用下的彎矩圖

結果對比如表2.1所示：

表2.1整體模型自重作用下分析結果

工況 最大彎矩 最大剪力 最大位移

未開人孔 3.028×104kN?m 9.295×103kN 7.317×10-3kN

開人孔 3.017×104kN?m 9.282×103kN 7.313×10-3kN

經對比分析知,箱梁頂板進人孔的設置對整體豎向受力幾乎無影響，故設置不同的人孔尺寸，進行局部受力分析。

3、局部受力分析

運用有限元計算軟件ANSYS進行局部混凝土箱梁建模，采用solid45單元模擬混凝土結構單元，預應力鋼束可采用分離式建模法設置link單元模擬預應力鋼束，也可運用等效荷載法進行預應力的模擬，本文采用等效荷載法對預應力進行模擬。

施工進人孔位于箱梁頂板，頂板預應力鋼束布置分為橫橋向鋼束（扁錨4-Φs15.2鋼絞線）和縱向鋼束，縱向鋼束包括位于橫梁兩側的節段鋼束（9-Φs15.2）和通長鋼束（9-Φs15.2），由于節段鋼束位于橫梁兩側，對人孔區域受力影響較小，通長鋼束位于靠近邊腹板和中腹板區域，同樣對人孔區域受力影響較小，為進一步簡化計算，局部受力分析模型只考慮頂板橫向鋼束對人孔區域的受力影響，實體模型如圖3.1所示，考慮頂板橫向鋼束為兩端同時張拉，箱梁端部邊界條件設置為梁端固結。

根據施工現場實測人孔尺寸數據，設置以下三組不同尺寸的進人孔進行局部受力對比分析，如表3.1。

表3.1進人孔尺寸試驗組

編號 橫橋向尺寸（m） 縱橋向尺寸（m）

1 0.8 0.8

2 1.4 1.2

3 1.8 1.4

圖3.1單跨箱梁實體有限元模型

4、局部應力分析結果

利用三維空間有限元模型，對三組不同尺寸的人孔在自重荷載及頂板橫向荷載作用下進行受力分析，通過計算得到的進人孔周圍的縱、橫向應力數值見表3.2，截面應力分布情況見圖3.2-3.4所示。

圖3.2a 0.8×0.8進人孔拉力分布云圖圖3.2b 0.8×0.8進人孔拉力分布云圖

圖3.3a1.4×1.2進人孔拉力分布云圖圖3.3b 1.4×1.2進人孔拉力分布云圖

圖3.4a 1.8×1.4進人孔拉力分布云圖圖3.4b1.8×1.4進人孔拉力分布云圖

表3.2人孔位置最大拉、壓應力結果

編號 最大拉應力 最大壓應力

1 2.861mpa 7.150mpa

2 3.300mpa 8.037mpa

3 3.305mpa 9.184mpa

5、結論及展望：

（1）進人孔處順橋向截面受拉應力，橫橋向截面受壓應力，最大應力計算結果均小于規范規定的容許值，從設計的角度進人孔周邊的主應力滿足規范要求。

（2）由不同尺寸進人孔對比分析結果可知，人孔尺寸越大局部應力越集中，因此進人孔尺寸設置應在滿足工人方便進出的前提下盡可能小。

（3）由壓力應力云圖分布可知最大應力區域集中在進人孔角點處，故該區域倒角應設置為圓角或者鈍角更利于應力發散。

（4）在實際箱梁結構施工中，進人孔封閉在頂板預應力鋼束張拉工序之后，故張拉后封閉的混凝土未受到預應力作用，在橋梁運營期間，進人孔區域混凝土與周邊混凝土受力不一致，進而破裂甚至沉降，導致路面不平順，故在后期施工中，建議先封閉人孔處混凝土，再進行預應力張拉。