基于Ansys的30m預應力混凝土箱梁靜載試驗分析

李太平　劉永孝

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅　蘭州　730070）

?

基于Ansys的30m預應力混凝土箱梁靜載試驗分析

李太平劉永孝

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070）

摘要：預應力混凝土等截面簡支箱梁，由于其易于施工、養護的特點，使其成為橋梁施工中主要選擇的對象。由于簡支箱梁構件的特殊性，在施工階段要滿足質量及安全性要求，在后期運營過程中為了保證橋梁結構構建的可靠度，需對其進行成品梁靜力荷載試驗，并對試驗結果進行理論分析，將其理論受力效應和實際受力變形相比較，觀測混凝土簡支箱梁在靜力荷載試驗工況下一系列的荷載反應，評價其實際承載能力。

關鍵詞：靜力試驗荷載；理論受力效應；荷載反應；實際承載能力

作為橋梁施工的主要結構構件，預應力混凝土等截面簡支箱梁，在其施工及后期養護的過程中存在優越性。而且，在目前橋梁施工的過程中，在橋梁結構構件中以大跨度連續梁配用預應力簡支梁，具有經濟、工藝、功能及可靠性。但是，大跨徑簡支箱梁均為全預應力砼，施工運營過程中不可避免地會有變形出現，需要采取措施預防或避免此種情況的出現。

本文是在施工階段進行相應的靜力荷載試驗，并運用有限元分析軟件ANSYS計算，對試驗結果進行對比分析，通過數據分析，了解不同工況加載的過程中預應力砼等截面大跨徑簡支箱梁梁體應力以及其跨中位移變化情況［1］。基于此，為施工運營過程中出現的變形情況的預防或改善提供基礎依據。

1　結構簡介

甘肅省蘭州市北環路西段工程（施家灣到培黎廣場）樓梯溝橋，該橋梁縱向平坡設計，橋梁的橫向坡度為1.5%。一聯為4.0m×30.0m～8.0m×30.0m的裝配式，部分預應力混凝土連續箱梁，其構件采用多箱單獨預制，再簡支安裝，后現澆連續接頭，是一種先簡支、后連續的結構體系。橋梁寬度為2.0m×13.0m或者2.0m× 15.5m，橋梁跨徑為30.0m。30.0m預應力混凝土連續箱梁的中心高度1.6m，底板寬度為1.0m，而且構件最大吊重為92t。

2　檢測目的與檢測項目

2.1檢測目的

試驗荷載作用下，控制截面的應力、撓度和裂紋開展情況及其分布特性，使其與理論計算值相互比較，檢驗實際結構控制截面應力、撓度和裂紋是否符合設計的要求，進一步評價成品預制混凝土箱形簡支梁總體施工質量。

2.2檢測項目

通過靜力荷載試驗確定試驗荷載作用下混凝土箱形簡支梁控制截面處混凝土的應力及應變；通過靜力荷載試驗確定在試驗荷載的作用下混凝土箱形簡支梁撓度；通過靜力荷載試驗確定試驗荷載作用下混凝土箱形簡支梁的裂紋的開展情況及其分布狀態。

3　現場試驗方案的確定

3.1試驗理論依據

梁式橋結構是一種受彎結構，在其結構自重和設計荷載的共同作用下，梁的橋跨結構主要承受彎矩，因橫力彎曲同時承受剪力作用。其最大彎矩出現于各跨跨中（正彎矩），而最大剪力在支座區域出現［2］。

依據《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》對試驗的建議要求，橋梁施工現場試驗實際條件情況，試驗荷載以施工現場的重物加載。內力效應比值（靜力荷載試驗的效率ηq）應滿足的設計規范所要求的范圍為0.95≤ηq≤1.05。

其中，S′為最不利計算值，是指驗算荷載所產生的加載控制截面內力或位移變化的效應最不利計算值；Ss為最大計算值，是指在靜力試驗荷載的作用下，加載試驗項目所對應的加載控制截面內力或位移變化的效應最大計算值；μ即為根據規范所取用的沖擊系數的大小。

3.2試驗荷載的確定

根據規范《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）中的相關規定及橋梁的相關設計理論，應用有限元分析軟件ANSYS模擬計算得出，梁體最大彎矩截面所承受彎矩效應之后，利用現場試驗的實際條件，采用成品箱重物加載，構件加載位置為3.50、14.35m和25.20m截面位置，其試驗荷載的效率系數取值為ηq＝1.00［3］。

表1　試驗的等效加載工況（t）

試驗的等效加載工況如表1所示，其加載方式分別圖1、2、3所示。

圖1　工況一

圖2　工況二

圖3　工況三

3.3測點布設

測點布置位置如圖4所示。

圖4　30m混凝土箱梁各測試截面位移、應變測點布置圖

圖5　預制混凝土箱形簡支梁（2-5）ANSYS有限元分析模型

圖6　工況1撓度分析

圖7　工況1應變分析

圖8　工況1應力分析

圖9　工況2撓度分析

圖10　工況2應變分析

圖11　工況2應力分析

圖12　工況3撓度分析

圖13　工況3應變分析

圖14　工況3應力分析

表2　梁（2-5）撓度記錄分析表

表3　混凝土箱形簡支梁（2-5）測點應力記錄分析表

4　測試結果與分析

4.1結構撓度與應力分析

根據各級荷載下測點位置得到，B-B截面即為最大理論位移的發生處，校核截面3.5、25.2m處（A-A截面、CC截面）的撓度值，采用ANSYS（預制混凝土箱形簡支梁ANSYS有限元分析模型見圖5）計算出各級荷載下的理論應力值（彈性模量按3.45×104MPa計算），有限元分析結果如圖6～14所示［4］。

采用Ansys軟件計算整體簡支箱梁在荷載作用下跨中彎矩的大小，可得其最大彎矩值差值不大，該試驗分別列出逐級加載過程中所得出的撓度記錄分析表（見表2）、應力記錄分析表（見表3），得出2-5箱梁加載變形分析圖（見圖15）［5］。

圖15　2-5箱梁加載變形分析圖

4.2結構撓度曲線與應力曲線繪制

根據試驗分別列出的逐級加載過程中所得出的撓度和應力記錄情況，繪制出2-5梁荷載-及應力曲線和撓度曲線分別如圖16、17所示［6］。

圖16　2-5梁荷載-及應力曲線

圖17　2-5梁荷載-及撓度曲線

5　結論

①如圖16、17所示，各級靜力荷載加載情況下截面的應力-荷載、荷載-撓度曲線呈現線性關系，即在設計荷載、二期恒載的作用下，箱梁梁體的應變、撓度的變化均在線彈性的范圍之內，表明符合靜力學中對梁體變形的要求。

②卸載完成后殘余應變值，其最大殘余應變值為15.6%，小于規范所要求的限值20.0%。

③在加載過程和卸載之后，梁體的整體性能均正常，沒有明顯變形裂紋出現，裂紋特性符合相應規范的要求。

④在最大靜力試驗的等效荷載作用下fs=19.38mm，而最大豎向撓度允許值則為［f］=32.25mm（［f］=Lp/600），試驗實測值也小于按規范要求和有限元理論得出的理論計算值，即梁體整體剛度滿足規范所要求的變形要求。

⑤符合《公路工程質量檢驗評定標準》的相關質量標準要求，在運行的過程中安全系數較高［7］。

參考文獻：

［1］黃國權.有限元法基礎及ANSYS應用［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［2］江見鯨.鋼筋混凝土結構非線性有限元分析［M］.西安：陜西科學技術出版社，1994.

［3］王春芬.旱區鐵路混凝土橋梁耐久性及安全性評估［D］.西安：西安建筑科技大學，2011.

［4］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］陸新征，江見鯨.用ANSYS Soild65單元分析混凝土組合構件復雜應力［J］.建筑結構，2003，23（6）：22-24.

［6］潘志強.橋梁承載力評定方法的探討［J］.水道港口，2003（l）：51-55.

［7］GB50010-2002.混凝土結構設計規范［S］.

中圖分類號：U446.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0112-04

收稿日期：2015-12-22

作者簡介：李太平（1985-），男，碩士，研究方向：道路與鐵道工程。

Based On Ansys 30m Prestressed Concrete Section Box Nicole Residual Experimental Analysis

Li TaipingLiu Yongxiao
（Civil Engineering College,LanZhou JiaoTong University,Lanzhou Gansu 730070）

Abstract:Prestressed concrete cross section such as simply supported box girder as a kind of easy construction and maintenance of bridge structures,become the main choice of bridge construction object,due to the particu?larity of simply supported box girder components,to meet the requirements of quality and safety in the construc?tion stage,in the later operation process in order to guarantee the reliability of bridge structure construction, must be on the finished product Liang Jingli load test,and carries on the theoretical analysis of the experimen?tal results,the force effect compared with the actual stress deformation theory,and observation of concrete sim?ply supported box girder under the working condition of the static load test of a series of load response,evaluate its actual bearing capacity.

Keywords:equivalent test load;theoretical stress effect;load response;practical bearing capacity