基于有限元模型的大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠因素分析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言预应力混凝土连续刚构桥常用于大跨度桥梁上，其结构中、下部分别采用墩梁固结、柔性桥墩1，可有效减少因主梁变形导致桥墩形成的次内力，具有较好的经济效果，施工较为简单，被广泛应用在我国西部的高速公路中2。该类型桥梁在桥梁工作时间不断增长的情况下，常出现跨中后期持续下挠的问题3，部分桥梁在应用几年后的跨中最大挠度严重超出了设计预测区间。这种长期持续下挠挠度过大的情况不仅会导致预应力混凝土连续刚构桥跨中主梁凹陷4，还会影响桥面的铺装，使桥梁的全寿命周期缩短、行车舒适性下降，严重时还会影响行车安全5。本文以某桥梁为研究对象，利用有限元模型模拟桥梁施工并对其不同工作阶段进行仿真计算，从多个角度分析大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期挠度受到的影响。1 大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠因素分析1.1 工程概况桥梁为大跨度预应力混凝土连续刚构桥，跨径结构为（100+175+100）m，上部根据三向预应力体系的混凝土结构设计6。桥梁整体分为上、下两幅，主梁、主墩分别应用单箱室变高预应力混凝土箱梁和矩形面空心双薄壁墩7，箱梁根高10 m，跨中高3 m，墩高65m。施工工艺为悬臂浇筑8，当下部完成施工后，从0#节段以T型对称往两侧施工，先后合龙边、中跨。在桥台侧搭建支架实现边跨现浇段的施工。1.2 建立有限元模型有限元是利用离散单元的整合呈现实际连续域，中心思想是简化问题复杂程度并完成求解，具体是分解求解域成数个独立单元，于单元内设置节点作为函数求解的插值点，以该点受力表示单元受力9。利用节点变量结合插值函数构建线性表达式，并以此为根据调整微分方程变量，求解符合该域的总条件，获取问题的近似解。具象化体现了“化整为零又积零为整”10。构建有限元模型，经网格划分需要求解的弹性区域，离散其连续性后选取单元节点的变化函数，根据插值原则表示其为节点位移，整合全部单元与节点外部作用力，获取节点位移并基于位移边界条件展开求解，根据弹性力学基本方程求解单元的应变和变形。通过有限元软件 Ansys 构建桥梁的有限元计算模型，主梁、主墩分别由变截面空间梁、一般梁单元模拟，结合桥梁结构特征、施工工序等划分主梁单元，利用预应力荷载得到预应力束，通过梁段节点荷载与弯矩表示受重。激活并钝化结构、荷载、边界组完成施工模拟，桥梁计算模型见图1。通过刚性连接进行墩梁固结，约束形式为墩底固结。图1 桥梁有限元计算模型1.3 应用有限元法的大跨度预应力混凝土连续刚构桥结构受力数值模拟通过有限元法求解动力方程，划分求解域为数量收稿日期：2022-12-27作者简介：张静静（1988），女，河南漯河人，硕士，工程师，从事桥梁设计和工程造价工作。基于有限元模型的大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠因素分析张静静，饶春华（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330000）摘要：为分析基于有限元模型的大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠因素，构建桥梁的有限元计算模型，数值模拟其施工、工作过程，分析桥梁自重变化、预应力损失、环境湿度以及梁体开裂对其长期下挠的影响。试验验证了桥梁自重变化、预应力损失、环境湿度以及梁体开裂具有显著的桥梁长期下挠影响，在桥梁成桥的各个时段中，桥梁长期下挠与桥梁自重变化、环境湿度、梁体开裂程度呈正相关关系，与预应力损失呈负相关关系，其中，桥面铺装超重的荷载分布较为均匀，导致跨中长期挠度较大，因此在施工过程中需注意桥面不平的问题，防止铺装厚度过大。关键词：有限元模型；大跨度；预应力混凝土连续刚构桥；长期下挠因素中图分类号：U445.471文献标识码：B135总652期2023年第22期（8月 上）固定且独立的单元，设定单元内适宜梁段节点为函数插值，以表示连续刚构桥结构单位所受力。利用 ANSYS 数值模拟连续刚构桥结构受力情况，某时刻的梁段节点空间坐标表示为xi()i=1,2,3，设应力为ij,j，、o分别为质量密度及其初始状态，其动量方程表示为：ij,j+fi=xi（1）式（1）中：i,j=1,2；fi为单位质量体积力；xi为加速度。能量方程表示为：E=VSijij-（p+q）V（2）式（2）中：i,j=1,2；V为现时构形体积；p、q分别为压力、黏性阻力；ij为应变率张量；Sij为偏应力。通过有限元离散动量方程使其符合微分方程内积，变换输出的虚功率方程为节点位移方程，得到某时刻预应力混凝土连续刚构桥梁段节点的受力变化。2 预应力混凝土连续刚构桥长期下挠影响因素分析为研究大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠因素，本文以恒载、预应力的变形影响因素为切入点，分析大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠影响因素。2.1 自重变化对长期下挠的影响受大跨度预应力混凝土连续刚构桥的施工工艺影响，常存在桥面不平通过混凝土找平导致额外增重、模板变形导致截面尺寸不准的问题，从而出现混凝土超方问题，令桥梁自重出现误差，长期挠度跟随自重的增加而增加。2.1.1 主梁结构自重受施工工艺的影响，桥梁主梁梁段会发生胀模，自重增大从而导致长期挠度提升。设桥梁自重增大比例为1%4%，计算桥梁自重差异增大比例下桥梁长期下挠变化情况，结果如图2所示。图2 自重超重对桥梁成桥不同时段的长期下挠影响通过图2分析可知，在桥梁成桥的各个时段中，桥梁长期下挠与桥梁自重增大比例呈正相关关系，受桥梁自重超重影响，成桥初期的桥梁长期下挠提升量最大，在成桥时间递增的情况下，长期下挠提升量减少，在成桥15年且桥梁自重增大比例为4%时，桥梁长期下挠的提升量约为0.85 cm，绝对值较小。2.1.2 桥面铺装大跨度预应力混凝土连续刚构桥的桥面铺装厚度取决于施工质量，且存在较大的变化。基于桥面不平设置桥面铺装厚度分别提升2、4、6 cm，研究桥面铺装厚度对桥梁长期下挠影响，结果如图3所示。图3 桥面铺装厚度对桥梁成桥不同时段的长期下挠影响通过图3可以看出，在桥梁成桥的各个时段中，桥梁长期下挠跟随桥面铺装厚度的提升呈指数型增长态势，铺装厚度每提升2 cm，对应桥梁长期下挠变形提升约1.55cm。受桥梁铺装厚度增加影响，成桥初期的桥梁长期下挠提升量最大，在成桥时间递增的情况下，铺装厚度导致的长期挠度提升量减少，在成桥15年且桥面铺装厚度提升量为6 cm时，桥梁长期下挠的提升量约为1.55 cm。桥梁铺装厚度增加对桥梁长期下挠的影响远远大于主梁自重增大，长期挠度的提升量相差约1倍，由此可见，桥梁长期下挠受桥梁铺装的影响较大，主要原因是主梁自重超重的位置多在具有较大刚度的墩顶截面周围，跨中超重情况较少，桥面铺装超重的荷载分布较为均匀，导致跨中长期挠度较大，因此在施工过程中需要注重桥面不平的问题，防止铺装厚度过大。2.2 预应力损失对桥梁长期下挠的影响大跨度预应力混凝土连续刚构桥成桥后的初始内力情况直接影响了其长期挠度变化情况，设置桥梁纵向预应力减少5%20%，计算差异预应力损失下桥梁长期下挠变化情况，结果如图4所示。通过图4可以看出，在桥梁成桥的各个时段中，桥梁长期下挠与预应力损失呈负相关关系，预应力每降低2%，对应桥梁长期下挠变形提升约3 mm，在成桥15年且预应力损失为2%时，桥梁长期下挠的提升量约为4.5 mm。2.3 环境湿度对桥梁长期下挠的影响环境湿度会影响混凝土干燥徐变，环境湿度较低会导致混凝土出现较大的收缩，加剧混凝土徐变，在较大的环境湿度下，混凝土的硬化和密度也较大，对应收缩徐变较小。设环境湿度分别为 40%、60%、80%，计算差异环境湿度下桥梁长期下挠变化情况，结136交通世界TRANSPOWORLD果如图5所示。图5 环境湿度对桥梁成桥不同时段的长期下挠影响通过图5分析可知，在桥梁成桥的各个时段中，桥梁长期下挠与环境湿度的变化截然相反，在成桥15年且环境湿度为40%时，桥梁长期下挠较之环境湿度为80%时高约49%，表示桥梁长期下挠受环境湿度影响严重，并且相同环境湿度下，在成桥时间递增的情况下，环境湿度与桥梁长期下挠提升比例呈正相关关系。2.4 梁体开裂对桥梁长期下挠的影响在预应力无法与外部拉力相互抵消的情况下，梁体开裂导致截面抗弯矩、梁体刚度减小。已知刚度与混凝土强度成正比，遂以刚度折减为指标分析梁体开裂对桥梁长期下挠的影响，设刚度折减10%30%，差异刚度折减下桥梁长期下挠变化情况见图6。图6 刚度折减对桥梁成桥不同时段的长期下挠影响分析图6可以看出，跟随梁体开裂程度的提升，刚度不断降低，桥梁长期下挠提升，在桥梁成桥的各个时段中，刚度每减少10%，对应桥梁长期下挠变形提升约5 mm。相同刚度减少比例下，跟随成桥时间的不断增长，桥梁挠度提升量不断增加。3 结束语本文研究了基于有限元模型的大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠因素，采用有限元模型模拟计算桥梁的施工、工作过程，分析桥梁自重变化、预应力损失、环境湿度以及梁体开裂对大跨度预应力混凝土连续刚构桥长期下挠的影响。试验验证了上述因素具有显著的桥梁长期下挠影响。其中，桥面铺装超重的荷载分布较为均匀，导致跨中长期挠度较大，因此在施工过程中需要注重桥面不平的问题，防止铺装厚度过大。参考文献：1 韩帅，易敬，姜腾.大跨度连续刚构桥主梁下挠原因分析与加固技术研究J.公路交通科技（应用技术版），2019，15（4）：170-173.2 郭明华，侯海涛，刘奎太，等.大跨径预应力混凝土连续箱梁桥合理应力状态设计参数分析J.青岛理工大学学报，2019，40（2）：31-37，87.3 李仲.大跨度预应力混凝土连续刚构桥挠度控制措施J.设备管理与维修，2018（11）：109-110.4 齐皖东.大跨度预应力混凝土连续刚构造桥长期挠度分析和施工控制措施J.四川水泥，2019（4）：71，74.5 潘瑾，汪兰.大跨径连续梁桥长期下挠产生机理及影响因素分析J.工程建设与设计，2018（3）：164-166.6 赵旭.大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析J.北方交通，2022（7）：9-13.7 江根明.大跨度预应力混凝土连续刚构桥的施工监控与分析J.浙江交通职业技术学院学报，2020，21（1）：16-19，57.8 刘掌红.基于收缩徐变试验的大跨径PC连续刚构桥长期挠度可靠度分析J.北方交通，2022（8）：9-12.9 林兆新.大跨径连续刚构桥长期下挠的施工影响因素参数化分析J.福建交通科技，2019（5）：96-98，119.10 赵一波，王彬，冯步文.大跨径PC连续梁桥长期下挠敏感性分析J.山东交通科技，2021（3）：60-62，65.图4 预应力损失对桥梁成桥不同时段的长期下挠影响137