[D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.03.006 第28卷第3期 北京科技大学学报 Vol.28 No.3 2006年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2006 预应力混凝土连续弯梁桥墩顶开裂分析 张举兵蔡美峰牟在根 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为研究预应力连续弯梁桥墩顶开裂或主梁侧倾的原因，将预应力钢束对混凝土梁的作用 简化为等效荷载，用三维梁单元对预应力张拉施工过程进行了有限元模拟.对采用墩梁固结的预 应力弯梁桥进行计算的结果表明，张拉时所引起的独柱墩顶弯矩的方向和自重引起的弯矩方向相 同，并大一个数量级，此二者共同作用是造成预应力混凝土连续弯梁桥墩顶开裂或主梁侧倾事故 的原因.并通过对比计算，提出了预防墩顶开裂的建议， 关键词预应力混凝土；弯梁桥；桥墩；等效荷载；开裂 分类号U44;TU3 随着我国交通基础设施建设的发展，越来越 形，其平面投影可为圆曲线、缓和曲线（多为螺旋 多的预应力混凝土连续弯梁桥被广泛应用于互通 线)和直线的组合，立面可具有一定的坡度.一般 立交的匝道和城市高架道路中，为获得开散的桥 可采用曲杆单元来建模].本文为计算方便，划 下空间，也出于美观方面的考虑，目前在桥宽小于 分为较短单元后，各单元均用直线模拟，以直代 12m时，中墩多采用独柱.然而由于曲线连续梁 曲，其单元节点力和变形如图1和图2. 在模型建立上的复杂性和特殊性，传统的基于平 面梁系的桥梁专用计算程序已无法准确模拟预应 0. 力混凝土曲线桥梁的施工过程，结构设计者对各 6,b 种简化计算手段的精度也难以清楚地认识，时常 入， 1 fuea 引起工程问题，其中最常见的就是中墩顶采用铰 馆酒 支座时发生的梁体侧倾和采用墩梁固结时发生的 图1梁单元节点位移 墩顶或主横梁开裂.如深圳市滨河大道的车公庙 Fig.I Nodal displacement of beam element 立交，其3号匝道桥第2联的6跨曲线预应力混 4名 凝土连续箱梁，在张拉预应力钢束后，采用独柱单 M M.a 支座的19#，20#墩顶，发生了过大的侧向扭转变 M M 形，平曲线凸侧最大下挠值150mm,凹侧最大上 R 八1B 翘值达107mm,同时施工支架亦发生局部压 M石 京成主 曲[].又如文献[2]报道的某互通立交匝道的部 图2梁单元节点力 分预应力混凝土宽翼肋板连续梁，在施工尚未完 Fig.2 Nodal forces of beam element 成时，圆形墩柱柱身朝向平曲线内侧即出现肉眼 可见的环状裂缝，部分缝宽超过1mm,墩顶附近 单元平衡方程的矩阵形式为： 局部损坏.文献[3]亦报道了类似现象， [K]e1δe=[Pe (1) 为研究上述情况的原因，本文用基于三维梁 其中，[K]为三维梁单元的刚度矩阵，在大量文 单元的有限元法，对预应力混凝土连续弯梁桥的 献中均有详细推导，此处不再列出；{δ}°为位移 预应力施工过程进行了模拟. 列阵，{Pe为荷载列阵 1有限元模型 2预应力等效荷载 预应力混凝土曲线梁桥具有复杂的空间线 预应力钢束对主梁的作用通常可简化为等效 荷载58]，除锚下集中力和力矩外，在预应力钢束 收稿日期：2005-0106修回日期：200502-16 的曲线段还作用有法向作用力.为简化计算，忽 作者简介：张举兵(1974一)，男，讲师，硕士第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 劝 预应力混凝土连续弯梁桥墩顶开裂分析 张举兵 蔡 美峰 牟在根 北京科技大学土木与环境工程学院 ， 北京 摘 要 为研究预应力连续弯梁桥墩顶开裂或主梁侧倾的原 因 ， 将预应力钢束对混 凝土 梁 的作用 简化为等效荷载 ， 用三维梁单元对预应力张拉施 工过程进行 了有 限元模拟 对采 用墩梁 固结 的预 应力弯梁桥进行计算的结果表 明 ， 张拉时所 引起 的独柱墩顶弯矩 的方 向和 自重引起 的弯矩方 向相 同 ， 并大一个数量级 ， 此二者共同作用是 造成预 应力 混 凝土连 续弯梁桥墩 顶 开 裂或主 梁侧倾事故 的原 因 并通过对 比计算 ， 提 出了预 防墩顶开裂 的建议 关键词 预应力混 凝土 弯梁桥 桥墩 等效荷载 开裂 分类号 腼断 随着我 国交 通 基 础 设 施 建设 的发 展 ， 越 来越 多 的预应力混凝土连续弯梁桥被广泛 应用于互通 立交 的匝道和城市高架道路 中 为获得 开 敞的桥 下空 间 ， 也 出于美观方面 的考虑 ， 目前在桥宽小于 时 ， 中墩多 采用 独柱 然 而 由于 曲线连 续 梁 在模型建立上 的复 杂性 和 特殊性 ， 传统 的基 于 平 面 梁 系的桥梁专用计算程序 已 无法 准确模拟 预应 力混凝土 曲线桥 梁 的施 工过 程 ， 结构设 计者对 各 种简化计算手 段 的精度 也难 以 清楚地 认识 ， 时常 引起工程 问题 ， 其 中最 常 见 的就 是 中墩顶 采 用铰 支座 时发生 的梁体侧倾和 采用墩 梁固结 时发 生 的 墩顶 或主横梁开裂 如深圳 市滨河大道 的车公 庙 立交 ， 其 号 匝道桥 第 联 的 跨 曲线 预 应 力混 凝土连续箱梁 ， 在张拉预应力钢束后 ， 采用独柱单 支座 的 ， 墩顶 ， 发生 了过 大 的侧 向扭 转 变 形 ， 平 曲线 凸侧 最大下 挠值 ， 凹侧 最 大 上 翘值 达 ， 同 时 施 工 支 架 亦 发 生 局 部 压 曲〔 ‘」 又 如文献 「 报道 的某互 通 立 交 匝 道 的部 分预应力混凝 土 宽 翼肋 板 连 续 梁 ， 在 施 工 尚未 完 成 时 ， 圆形墩柱 柱 身 朝 向平 曲线 内侧 即 出现 肉眼 可见 的环 状 裂缝 ， 部分缝宽超 过 ， 墩 顶 附近 局部损坏 文献「 亦报道 了类似现象 为研 究上述情况 的原 因 ， 本 文用 基 于 三 维 梁 单元 的有限元 法 ， 对 预 应 力 混 凝 土 连 续 弯梁桥 的 预 应 力施工过 程进行 了模拟 形 ， 其平面投 影 可 为 圆 曲线 、 缓 和 曲线 多 为螺旋 线 和直线的组合 ， 立面可具 有一 定 的坡度 一般 可采用 曲杆单 元 来建模川 本 文 为计 算方 便 ， 划 分为较 短 单 元 后 ， 各单元 均 用 直 线模拟 ， 以 直 代 曲 ， 其单元节点力和变形 如 图 和 图 叭 叭 叭 。陶肠 甲盈即甲压山胜盆二， 一 嘴卜 门卜 一 侣卜 嘴目卜 心卜 日别 粼划 川 召 压， 图 梁单元节点位移 花 蛛入 叭 图 梁单元节点力 仪 单元平衡方程 的矩 阵形式为 」吞 ” “ 其 中 ， 「 为三 维 梁单 元 的刚度矩 阵 ， 在大量 文 献 中均有详 细 推导 ， 此 处 不 再 列 出 引 为位 移 列 阵 ， “ 为荷载列 阵 有限元模型 预应力 混 凝 土 曲线梁 桥具 有 复 杂 的 空 间 线 收稿 日期 一 刃 修回 日期 一 一 作者简介 张举兵 一 ， 男 ， 讲师 ， 硕士 预应力等效荷载 预应力钢束对 主梁 的作用通常可 简化为等效 荷载仁 一 ， 除锚下 集 中力和 力矩 外 ， 在预 应力钢束 的曲线段 还 作用有 法 向作用 力 为 简化计 算 ， 忽 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．03．006