連續剛構箱梁零號塊應力分析

呂全金

摘 要：本文以某連續剛構橋的零號塊為研究對象，首先運用橋梁專業軟件Midas Civil對全橋進行整體分析，求得零號塊兩端截面的內力值，然后利用細部有限元分析軟件Midas FEA中建立零號塊的實體有限元計算模型，然后將整體模型中計算的內力值施加于零號塊兩端截面形心位置上。本文通過不同方向的正應力以及最大、最小主應力的角度來考察零號塊各個構件部位以及應力相對集中位置的應力狀況。通過對零號塊進行成橋階段的空間應力分析，給出了零號塊設計與施工過程中的一些建議，為類似橋梁工程提供參考。

關鍵詞：連續剛構橋；零號塊；應力分析

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A

1 工程概況

某上部結構為（95+180+95）m三跨預應力混凝土連續剛構箱梁，箱梁根部高度11.0m，跨中高度4.0m。箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化。主橋縱向及豎向、橫梁預應力鋼束采用GB/T5224-2003標準270級鋼絞線，單根鋼絞線直徑15.24mm，公稱面積139mm2，彈性模量1.95×105MPa，標準強度1860MPa，設計錨下張拉控制應力1395/1302MPa。主梁結構安裝全預應力結構設計。豎向預應力鋼束最長束達17m，位于墩頂0#塊橫隔板位置。

2 有限元分析

2.1 結構模型

本文以該橋5#墩的零號塊為研究對象，分析其在成橋階段即全橋合龍且施加二期鋪裝時的應力狀態。由圣維南原理可知0號塊的應力狀況只與其一定長度范圍內的應力狀況有關，遠離0號塊部位的應力對0號塊影響很小可以忽略不計。因此本文選取5#墩0號塊、1#塊、2#塊以及部分長度的墩高建立實體單元模型進行空間應力分析。利用非線性及細部分析軟件Midas FEA建立空間實體單元模型。混凝土和預應力鋼束分別用實體單元和鋼筋單元模擬，建立計算模型如圖1所示。模型中考慮了預應力的張拉控制應力、摩阻損失、預應力松弛損失及錨具變形影響。

2.2 施加邊界及荷載

該0#塊實體模型單元采用自動實體網格，將模型劃分為122583個單元、58040個節點。模型的邊界條件在墩底彈性約束處理。本文利用橋梁專業軟件Midas Civil，采用梁單元建立桿系結構進行求解，得到成橋狀態下零號塊兩端的內力值，利用非線性及細部有限元分析軟件Midas FEA，建立零號塊局部實體有限元模型，并將成橋狀態下的內力添加在零號塊相應的主節點上。最后還需在零號塊細部有限元計算模型中添加其他荷載，如：自重、預應力、二期荷載等。

3 應力分析

利用Midas FEA計算軟件對零號塊進行仿真分析，就可以計算出實體模型中任意單元及節點的位移、應力大小。本文通過不同方向的正應力以及最大、最小主應力的角度來考察零號塊各個構件部位以及應力相對集中位置的應力狀況，結果如下：

3.1 縱向正應力

由圖2可見：（1）零號塊頂板、腹板、底板均處于受壓狀態，無拉應力產生，且零號塊頂板、底板、腹板縱向壓應力未超過C55混凝土抗壓強度設計值，計算結果與設計相符。（2）該零號塊橫隔板附近有些許拉應力，最大拉應力為1.04MPa。橫隔板整體壓應力未超過C55混凝土的抗壓強度設計值，拉應力超過C55混凝土的抗壓強度設計值但未超過C55混凝土的抗壓強度標準值。（3）該零號塊端部截面與橫隔板倒角處易出現應力集中，因此對該部位進行應力考察。通過分析可得，橫隔板與頂板倒角處的應力為-10.01MPa（負值表示受壓）。橫隔板與底板倒角處的應力為-9.49MPa。橫隔板與腹板倒角處的應力為-9.52MPa。結果表明，易出現壓應力集中的部位，其最大壓應力均未超過C55混凝土的抗壓強度標準值。

3.2 橫向正應力

由圖3可見：（1）零號塊最大橫向壓應力為-3.82MPa，未超過C55混凝土的抗壓強度標準值。（2）零號塊局部位置出現拉應力：頂板拉應力與壓應力并存，其中最大壓應力發生在頂板上緣，其值為-3.44MPa；同時也存在少量拉應力，其大小為0.12MPa；腹板拉應力與壓應力并存，其中最大壓應力為-2.76MPa；同時也存在少量拉應力，其大小為0.02MPa；底板拉應力與壓應力并存，其中最大壓應力為-2.13MPa；同時也存在少量拉應力，其大小為0.23MPa；橫隔板拉應力與壓應力并存，其中最大拉應力發生在人孔附近，其大小為2.37MPa。通過分析可得上述部位僅人孔附近處的拉應力超出了C55混凝土抗拉標準強度值，其余位置橫向拉、壓應力狀況均符合要求。

3.3 豎向正應力（如圖4所示）

由圖4可見：（1）零號塊最大豎向壓應力為-2.98MPa，未超過C55混凝土的抗壓強度標準值。（2）零號塊局部位置出現拉應力：頂板拉應力與壓應力并存，其中最大壓應力發生在頂板上緣，其值為-1.70MPa；同時也存在少量拉應力，其大小為0.29MPa；腹板受壓，其中最大壓應力為-2.40MPa；底板受壓，其中最大壓應力為-2.46MPa；橫隔板受壓，其中最大壓應力發生在人孔附近，其大小為-2.34MPa。通過分析可得底板與墩交界處部位以及橫隔板人孔附近處出現應力集中的情況，其最大值低于C55混凝土抗壓標準強度值。

3.4 主拉應力

由圖5可見：（1）觀察零號塊應力矢量圖，可得出主拉應力主要為橫向拉應力。最大主應力為1.63MPa，未超過C55混凝土的抗拉強度標準值。（2）零號塊頂板受力同時存在拉、壓應力，其應力大小的范圍為-1.15MPa～0.45MPa；底板拉應力與壓應力并存，其應力大小的范圍為-0.43MPa～0.54MPa；橫隔板應力大小的范圍為-1.21MPa～0.71MPa。通過分析，表明結構整體主壓應力均未超過C55混凝土的抗壓強度設計值，局部應力相對集中的區域主拉應力超過C55混凝土的抗拉強度標準值。（3）底板與墩交界處、橫隔板與頂板底面都出現應力集中的情況，其中最大拉應力為0.26MPa，主拉應力未超過C55混凝土的抗拉強度設計值。

3.5 主壓應力

（1）根據計算結果，主壓應力主要為縱向壓應力。零號塊最小主應力為-10.86MPa，未超過C55混凝土的抗壓強度標準值。（2）零號塊頂板受壓，其應力大小的范圍為-9.87MPa～ -7.13MPa；底板受壓，其應力大小的范圍為-10.39MPa～-1.49MPa；橫隔板受壓，其應力大小的范圍為-10.15MPa～ -7.13MPa。通過分析，表明結構整體主壓應力未超過C55混凝土的抗壓強度設計值。（3）底板與墩交界處、橫隔板與頂板底面都出現應力集中的情況，其中最大壓應力為-9.42MPa，主壓應力未超過C55混凝土的抗壓強度設計值。

結語

（1）由于模型中沒有考慮構造鋼筋的影響，因此在局部應力集中的位置可能存在應力超限的情況。（2）零號塊截面變化較多，因此應力狀態復雜，同時存在應力集中的部位。零號塊是整個結構體系中受力相對比較復雜的地方，這是因為零號塊各個構件尺寸相對其他部位較為薄弱，另外箱梁截面在橫隔板附近截面發生突變，而往往在這些地方通常會出現應力超出標準設計值的現象，嚴重的會造成混凝土開裂。所以在對零號塊設計的過程中，要對這些敏感部位進行仔細考慮，從而達到改善其應力狀態。（3）為杜絕這些應力易超限部位發生混凝土開裂現象，本文建議可采取以下方法：①根據對零號塊應力分析可知，對于應力薄弱處，尤其是易發生開裂的地方要增加配筋，同時可以在零號塊主筋表面配置防止混凝土開裂的鋼筋網；在腹板處設置豎向精軋螺紋鋼筋用來抵抗零號塊豎向以及橫向拉應力。②橫隔板尺寸的大小應與頂板、底板匹配，以達到改善零號塊受力狀態為目的。③由于主墩墩頂彎矩較大，而墩、梁交接處為二次施工的分界點，使得該處受力不利。因此箱梁零號塊的豎向預應力可延伸至墩頂以下5m～10m以改善墩、梁交接處的受力。④因該零號塊體積較大，通常采用兩次澆筑的方法進行，同時澆筑時充分振搗，采取措施降低混凝土水化熱對結構所造成的影響，并充分養護。⑤在對零號塊進行施工時，要確保尺寸準確、截面倒角圓滑，以此來減小應力集中的情況。

參考文獻

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