道路橋梁工程現澆箱梁受力特性有限元分析

于鵬飛

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

鋼箱梁又叫鋼板箱形梁，是大跨徑橋梁常用的結構形式。現澆鋼箱梁在載荷作用下的受力特性直接決定橋梁整體的穩定性[1]。本文為研究道路橋梁施工中現澆箱梁的受力特性，以某地區的道路橋梁工程為例展開相關研究，并通過測試分析其受力特性，為道路橋梁現澆梁的施工應用提供參考。

1 工程概況

以某城市道路橋梁總長度為85.8m，寬度為28m，該工程的建設地整體較為平坦，呈現西南相對較高，東北方向則低緩傾斜。橋梁上部結構主要采用現澆預應力鋼箱梁結構，其中主梁為單箱4 室斷面，端橫梁和中橫梁的厚度分別為1.5m 和2.8m；外腹板和頂板之間設計圓弧過渡結構，該圓弧的倒角為0.6m；橋梁的邊緣翼緣長度在設計過程中結合線路線性和寬度的變化進行調整。梁體使用的混凝土為C50 等級，混凝土相關構件均按照A 類預應力進行設計，載荷為城市用-A 級。

2 鋼箱梁有限元模型構建

道路橋梁鋼箱梁施工包含支架搭設、模板安裝、箱梁鋼筋施工、鋼梁混凝土澆筑、施加預應力、孔道壓漿以及封錨7 個重要工藝步驟。鋼箱梁在施工時，主要采用水載荷預壓和預應力等效載荷預壓的組合方式完成預壓處理，并且在預壓前，需對鋼箱梁支架的地基進行處理[1]，確保其滿足承載力需求；與此同時，需對支架的彈性形變進行測試，對地基、支架和模板之間存在的彈性變形進行相關處理，避免該彈性影響預壓效果。

為了分析現澆鋼箱梁在載荷作用下的受力特性，利用midas 軟件構建鋼箱梁有限元模型，模型共劃分成1880個節點和2020個單元，如圖1所示。混凝土材料物理性能參數見表1，預應力鋼束物理性能參數見表2。

表1 混凝土材料性能參數

表2 預應力鋼束性能參數

圖1 鋼箱梁有限元模型

3 基于有限元模擬的鋼箱梁靜載測試

3.1 載荷測試

靜載測試主要是對鋼箱梁在最不利工況下的受力特性進行測試，測試時，以現場考察結果為基礎[2]，主要針對施工過程中結構受力最不利的位置進行靜載荷測試。

3.1.1 測點布置

在進行靜載測試時，需進行測點布置，鋼箱梁在靜載荷作用下的應力應變采用弦式應變計完成，其測點位于鋼箱梁跨中梁的底板、腹板和底板的交界處、腹板和頂板的交界處，每個位置均布置2個測點。

撓度測試則采用水準儀和百分表完成，在鋼箱梁中心線和兩個支座斷面位置均布置2個測點。

3.1.2 靜載測試效率系數計算

靜載測試是以保障鋼箱梁結構安全為前提，并且在試驗過程中需對載荷的位置和大小進行嚴格控制[3]，通常應用時，靜載測試效率系數ηq計算公式為：

式中：Smax——鋼箱梁測試位置發生的最大變位；

S′——設計的最大變位結果；

γ——動力系數。

3.1.3 載荷加載規則

在極性靜載測試時，載荷的施加需按照一定標準完成，文中采用加載車實現載荷施加，一個加載車的荷載為450kN 左右，進行3 個等級加載，每一級的加載梯度為900kN左右，共用6臺加載車施加。

靜力加載持續時間是依據各個測點位置的鋼箱梁結構達到最大應變[4]，且鋼箱梁的穩定性不受到影響時的時間為準，而該試驗的時間超過15min。

當加載超載后會導致鋼箱梁結構發生破壞，降低鋼箱梁結構的安全性。因此，當結構的多個位置發生開裂，且寬度大于允許的標準時停止加載；此外，鋼箱梁其他位置發生破壞時也需停止加載。

3.2 受力性能計算

3.2.1 預應力鋼絞線理論張拉伸長量計算

預應力鋼絞線是鋼箱梁施工時的主要施工部分，在施工過程中[5]，需按照設計圖紙中的鋼絞線布置和理論伸長量進行核對，理論伸長量ΔL的計算公式為：

式中：P——張拉端的張拉力；

L——張拉斷和計算面之間的孔道長度；

AP——預應力鋼絞線的截面積；

EP——預應力鋼絞線的彈性模量。

式中：K——影響系數；

μ——摩擦系數；

θ——夾角和，對應張拉段和鋼箱梁跨中曲線孔道切線之間。

3.2.2 預應力鋼絞線實際張拉伸長量計算

對預應力鋼絞線進行張拉前，先確定其初始預應力，用λ初表示，在此基礎上進行預應力張拉施工和伸長值量測；實際伸長量是張拉時測量的伸長量和λ初情況下的伸長量的總和。

在測量過程中，實際伸長量通過千斤頂的行程進行推測，在λ初的情況下，張拉力為10%，加載至20%的張拉力后，兩端同時加載至103%，并保持該載荷5min，計算此時的實際伸長量ΔL實，其計算公式為：

式中：ΔL3、ΔL2和ΔL1——均表示伸長量，三者依次對應103%張拉力、20%張拉力以及10%張拉力的情況下的伸長量。

4 測試結果分析

4.1 應力應變和撓度結果分析

依據上述試驗方法，獲取各個測點的應力應變以及撓度的測試結果，如圖2和圖3所示。其中理論應變結果低于190με，最大位移結果在-20mm范圍內。

圖2 應力應變結果分析

圖3 撓度結果分析

對圖2和圖3測試結果進行分析后可知：鋼箱梁最不利工況在載荷作用下，其應力應變發生在局部中心區域，最大應變結果達到151με，理論應變結果為190με；因此，滿足理論上的受力需求。除此之外，各個撓度測點在載荷作用下，撓度大小隨著載荷的增加逐漸增加，載荷的減小而降低；載荷作用下，發生的最大位移結果15.2mm，均在允許的位移范圍內。因此，鋼箱梁在載荷作用下，沒有發生明顯破壞，具有較好的回彈性以及承載力[6-7]。

4.2 鋼絞線伸長量分析

以鋼箱梁施工時兩處不同位置的長度相同的鋼絞線張拉測試結果見表3。理論上允許的總伸長量為440mm。

表3 鋼絞線伸長量測試結果

對表3 測試結果進行分析后可知：鋼箱梁施工后，鋼絞線在不同張拉狀態下，ΔL3、ΔL2和ΔL1也發生不同的變化，在103%張拉力的情況下，兩個位置上的鋼絞線實際的伸長量ΔL3分別為238mm 和227mm，實際伸長量ΔL實的結果分別為219mm 和220mm，兩者的總結果為439mm，低于理論上允許的總伸長量440mm，滿足設計要求[8]。

5 結束語

本文以某城市道路橋梁工程為例分析道路橋梁工程現澆箱梁的受力特性以及橋梁的承載性。根據工程實際信息，在midas 軟件構建鋼箱梁的有限元模型，分析鋼箱梁在靜載荷作用下的應力應變以及撓度結果，同時計算鋼絞線的伸長量。試驗結果顯示：鋼箱梁最不利工況在載荷作用下，其應力應變發生在局部中心區域，最大應變為151με，最大位移為15.2mm，鋼絞線實際的總伸長量為439mm，低于理論上允許的總伸長量440mm，滿足理論設計要求。