預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與施工控制

勾 煜

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土橋出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，50年代以來不斷取得巨大發(fā)展，主跨90 m，在中、小跨度范圍內(nèi)現(xiàn)已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在大跨度范圍內(nèi)它正在同鋼橋展開激烈競(jìng)爭。現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和技術(shù)是現(xiàn)代橋梁建設(shè)的重要結(jié)構(gòu)和技術(shù)。不但應(yīng)用于各種大、中、小跨度的橋梁，而且特大跨度橋也廣泛采用。梁式橋是使用最廣泛的預(yù)應(yīng)力混凝土橋型，這種橋型建造架設(shè)方便，梁式橋有簡支梁、連續(xù)梁、T構(gòu)及連續(xù)剛構(gòu)等［1］。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋具有整體性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)施工較為成熟，施工質(zhì)量和施工進(jìn)度能得到良好的控制，在成橋后養(yǎng)護(hù)工作量小，使得預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋在公路、城市和鐵路橋梁工程中得到廣泛采用。

岳陽河特大橋位于鄭州中南部，本線與既有溝海鐵路共通道。本線是鄭州專線與西安客運(yùn)專線的聯(lián)絡(luò)線，線路全長89.422 km。

1 數(shù)值模擬內(nèi)容及方案

在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁的數(shù)值模擬中，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的模擬與鋼筋混凝土模型材料的選擇一直是模擬中的難點(diǎn)問題。本文根據(jù)梁場(chǎng)施工規(guī)范與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁進(jìn)行施工研究，然后用ANSYS對(duì)上部結(jié)構(gòu)以及預(yù)應(yīng)力鋼絞線的受力進(jìn)行模擬，分析提出預(yù)應(yīng)力施加方法，作為理論設(shè)計(jì)的一個(gè)參考，并根據(jù)工程實(shí)際給出施工步驟，施工方案，并給出施工注意事項(xiàng)以及設(shè)計(jì)原則。結(jié)合有限元分析軟件，對(duì)上部結(jié)構(gòu)模擬分析，這對(duì)今后實(shí)際中的預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析有較為重要的指導(dǎo)意義。

鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型設(shè)計(jì)中，箱梁縱向長為64.0 m，橫向?qū)挒?2.0 m，梁上層厚度為33cm，梁下層厚度20cm。鋼絞線的直徑為15.20mm，強(qiáng)度級(jí)別為 1860 MPa，截面積 140mm2，理論重量1.101 kg/m，線膨脹系數(shù)為10，圖1為鋼筋混凝土連續(xù)梁裝配圖，圖2為模型圖。

圖1 鋼筋混凝土連續(xù)梁裝配圖

本文中討論的預(yù)應(yīng)力均是指有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，所以無論是先張法或后張法構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力張拉完畢灌漿后，預(yù)應(yīng)力筋和混凝土一般都建立了粘結(jié)，在正常使用荷載范圍內(nèi)無相對(duì)滑移，故在ANSYS軟件中可以用實(shí)體力筋法來建模，建模時(shí)具體有三種處理方法，即實(shí)體分割法、節(jié)點(diǎn)耦合法、約束方程法。本文采用節(jié)點(diǎn)耦合法進(jìn)行分析。圖3為節(jié)點(diǎn)耦合法施加效果圖。

圖2 模型橫截面圖

圖3 節(jié)點(diǎn)耦合法效果圖

本文采用節(jié)點(diǎn)耦合法進(jìn)行分析。節(jié)點(diǎn)耦合法的基本思路是分別建立實(shí)體和力筋的幾何模型，然后對(duì)幾何模型的實(shí)體進(jìn)行各自的單元?jiǎng)澐郑瑔卧獎(jiǎng)澐趾蟛捎民詈瞎?jié)點(diǎn)自由度將力筋單元和實(shí)體單元聯(lián)系起來(見圖4)，這種方法是基于有限元模型的處理。優(yōu)點(diǎn)是建模比較簡單，采用APDL命令耦合節(jié)點(diǎn)自由度處理時(shí)也比較簡單;缺點(diǎn)是當(dāng)混凝土單元?jiǎng)澐植粔蛎軙r(shí)，力筋節(jié)點(diǎn)位置可能有些走動(dòng)，造成一定誤差，為消除該誤差，勢(shì)必將混凝土單元?jiǎng)澐值幂^密，即以犧牲計(jì)算效率獲得上述優(yōu)點(diǎn)，該方法是解決大量復(fù)雜力筋線型的有效方法。模型計(jì)算參數(shù)見表1。

圖4 節(jié)點(diǎn)耦合法截面網(wǎng)格劃分圖

表1 模型計(jì)算參數(shù)

鋼絞線應(yīng)力分布見圖5～圖7。

圖5 90號(hào)鋼絞線應(yīng)力分布圖

圖6 95號(hào)鋼絞線應(yīng)力分布圖

圖7 103號(hào)鋼絞線應(yīng)力分布圖

圖8 加載方式二的混凝土連續(xù)梁撓度圖

從圖8，圖9 ANSYS的分析結(jié)果可知，載后橋梁跨中產(chǎn)生向下的撓度，為0.368mm，最大拉應(yīng)力為0.0831 MPa，最大應(yīng)力為0.494 MPa，這里有限元計(jì)算值較理論計(jì)算偏大，主要原因是這里只考慮了箱梁內(nèi)部的受拉鋼筋，沒考慮構(gòu)造鋼筋與箍筋對(duì)梁剛度的貢獻(xiàn)，所以計(jì)算值偏大，但均小于規(guī)范的限制值。由此可見，有限元軟件ANSYS可以用作為橋梁結(jié)構(gòu)分析以及理論計(jì)算的一個(gè)理想工具，考慮到混凝土及鋼筋受環(huán)境、施工等因素影響，可以輔助安全設(shè)計(jì)配筋，所以最好的設(shè)計(jì)理念應(yīng)該是以規(guī)范為主，輔助以相應(yīng)的軟件分析結(jié)構(gòu)的局部試驗(yàn)研究，才能較為真實(shí)可靠反映強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)與穩(wěn)定性，這對(duì)今后實(shí)際中的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析有較為重要的指導(dǎo)意義。

圖9 加載方式三的混凝土連續(xù)梁撓度圖

2 結(jié)語

1)在有限元模型的選擇中，采用整體式作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型，將混凝土和力筋劃分為不同的單元一起考慮，而模擬預(yù)應(yīng)力采用了降溫法或初應(yīng)變法，即使在最大使用荷載的作用下，跨中梁底混凝土應(yīng)變?nèi)匀粸樨?fù)值，由此可以看出，梁底未出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以本預(yù)應(yīng)力梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，安全性能較高;

2)本文所建立的預(yù)應(yīng)力箱梁有限元模型較好的模擬了預(yù)應(yīng)力混凝土梁在各加載方式下的軸力狀態(tài)，即使在最大面荷載作用下，跨中梁底部混凝土應(yīng)變?nèi)詾樨?fù)值，梁底未出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以本預(yù)應(yīng)力梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，安全性能較高;

3)載后橋梁跨中產(chǎn)生向下的撓度，為0.348mm，最大拉應(yīng)力為0.0831 MPa，最大應(yīng)力為0.494 MPa，這里有限元計(jì)算值較理論計(jì)算偏大，原因是這里只考慮了梁的受拉鋼筋，沒考慮構(gòu)造鋼筋與箍筋對(duì)梁強(qiáng)度剛度的貢獻(xiàn)，所以計(jì)算值偏大，但均小于規(guī)范的限制值。

［1］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1998.

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