斜交角度对预应力混凝土空心板梁受力特性的影响.pdf

2 0 1 3年第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文 章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 0 5 0 3 斜 交角度对预应 力混凝土 空心板梁受 力特性的影响 李金龙 ， 贾艳敏 ， 闵兆兴 ( 东北林业 大学 土木工程学院 ， 黑 龙江 哈尔滨 1 5 0 0 4 0 ) 摘要 ： 以空心板梁静载试验为背景 ， 使用 A B A Q U S有限元分析软件对相 同跨径、 不同斜度的空心板梁单 梁受 力特性 进行 分 析 ， 得 出跨 中截 面 挠度 、 应 力随斜 度 的 增 大而 增 大 ， 支点 反 力在 钝 角 区随斜 度 的增 大 而增大的规律 ， 为装配式斜交空心板的设计、 分析提供参考。 关键 词 ： 斜度 空心板 梁静 载试 验有 限元 中图分 类号 ： U 4 4 8 3 6 ； U 4 4 1 文献标 识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 3 0 2 高速公路 的大力建设是为 了适应全 国经济的快速 发展 ， 加快 区域之间的沟通与交流。为了满足选线 的 需要 ， 斜交跨越的方案往往更加合 理。空心板 梁由于 构造简单 ， 施工方便 ， 建筑高度小 ， 因而在斜交 方案 中 使用较多。但是预应力混凝土斜交空心板 的受力特性 比较复杂 ， 它不仅具有斜交桥的特点 ， 同时也因为其挖 空率较大 ， 壁厚较小 ， 又具有薄壁结构 的特性 ， 这使得 预应力混凝土斜交空心板桥的设计 十分不便 。 。本 文通过有限元分析软件对不 同斜度的预应力混凝土空 心板梁进行计算、 分析 ， 得出斜度对预应力混凝土空心 板梁受力特性的影响 ， 为工程设计提供参考。 1 现场试验 本文 以某 高速公路 预制 梁场单 梁静 载试验为依 托 ， 对该梁场所生产 的斜度 4 5 。 、 跨径 2 0 I n的预应力 混凝土空心板 梁进行 静载试 验 ( 截面 尺寸 如 图 1所 示) 。试验采用钢 绞线进行 三级加载 ， 在跨 中和端点 以磁力表架为支撑 ， 用百分表设置挠度测点。在跨 中 截面沿梁高方向布置混凝 土应变片 ， 用 B Z 2 2 0 5 C型应 变测试仪测量加载时混凝土所产生 的微应变， 现场测 点如图 2 、 图 3所示 。每级加载后待梁体稳定后记录 试验读数 ， 得到荷载对梁体跨 中截 面应力 以及挠度产 生的影响。现场加载情况如图 4所示。 2斜度对 空心板梁受力特性影 响分 析 2 1 分析 模型 的 建立 通过 A B A Q U S有 限元分 析软件 建立 相应 模 型。 主梁采用 S o l i d三维实体 单元 ， 单元 类型 为 C 3 D 2 0 R 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 0 1 0； 修回 日期 ： 2 0 1 2 1 1 1 0 作者简介 ： 李金龙 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 辽宁丹 东人 ， 硕士研 究生。 图 1 跨 中截面尺寸 ( 单位 ： m m) 图 2 现场 测点布置( 单位 ： mm) 图 3 梁体及测点外观 预应力钢绞线通过 T r u s s 单元模拟。用降温法实现梁 体的预应力。 工程试验数据 与 A B A Q U S有 限元 分析软件模拟 6 铁道建筑 图 4现场加载情况 数据 对 比如表 1所示 。 由表 1可 见 ， 模 型 计 算所 得 数 值与现场实际试验值接 近。因此， 本模型可以反映实 际加 载 时空 心板 梁 的受 力 特性 。 同样 ， 用 A B A Q U S有 限元 软件 分别模 拟交 通部 公路桥梁通用图 跨径为 2 0 m， 斜度为 0 。 ， 1 5 。 ， 3 0 。 和 4 5 。 的预 应 力 空 心 板 梁 单 梁 模 型 ( 截 面 尺 寸 如 图 1所 示) 。按照公路 I 级 的荷载要求 ， 以跨 中截面荷载效 应相等为原则换算出静载试验所需 的试验荷载。在跨 中施 加 集 中荷 载 P =7 8 k N， P 2=1 5 6 k N， P 驺=2 3 4 k N( 其 中 P P 舵， P 分别为设计荷载 的 3 0 ， 6 0 ， 表 1 静载 试验数据与 AB AQU S有限元软件计算数据对 比 注 ： 本 文在弹性阶段分析梁体受力 特性 ， 该表 只列 出一级 、 二级加载 的对 比值 。 9 0 ) ； 在 弹性 范 围 内 分 析 斜 交 角 度 对 空 心 板 梁 受 力 特性 的影 响 。 2 2斜 度对 挠度 的影 响 挠度作为工程设计 中的一项重要设计 指标 ， 直观 地反映了截面的弯矩大小 。在分析模型中 ， 通过跨 中施加 P P P 荷载求得跨 中挠 度变化如 图 5所 示 。三 级加 载后 的变 形 云图 如 图 6所示 。 l 越 导 搬 图 5 集 中载 P P P 作用 下跨中 截面挠度 随斜 度变化 曲线 U U2 + 5 9 3 2 e 爵 一 - I 0 9 8 2 8 8 e +0 0 辞 ： 至 猫譬 ： - l - 6 91 73 0 o 洲 +o o - 8 6 5。 。 l 舢 e +0 0 -L- 94 9 1 e +o o 图 6 斜度 3 O 。 空心板 P 作用下 的变形 ( 单位 ： m m) 图 5表明 ， 在跨中集中荷载 P P P 作用下 ， 跨 中截面挠度随斜度的增大而减小 。当斜度 1 5 。 时 ， 这种变化随斜度增大变 得 更 大 。斜度 1 5 。 ， 3 O 。 ， 4 5 。 空 心 板 梁 的挠 度分 别 约 为 0 。 空心 板 梁 的 9 6 9 ， 8 7 3 ， 7 1 O 。 由于 斜 度 的 存在 ， 在跨 中集 中载 的作用 下 ， 表 现 出弯扭 耦 合 效 应 ， 即空心板 梁产 生弯矩 的同时伴 随产 生相应 的耦 合扭矩 ， 产生扭矩 的同时也会 产生相应 的弯矩 ； 也就 是 斜 梁 的 竖 向挠 曲变 形 和 扭 转 角 之 间 对 应 着 耦 合 效 应 ， 导致跨 中弯矩 的折减 ， 进而所反应 出的挠度变形 减 小 。 2 3斜 度对 跨 中截 面 应力 的影 响 公路钢 筋混凝 土及 预应力 混凝 土桥涵 设计 规 范 ( J T G D 6 2 -2 0 0 4 ) 中对全预应力构件 明确规定 ， 在 荷载 作 用下 ， 正 截 面 的受 拉 边 缘 不 允 许 出 现 拉 应 力 。 因此对于构件特征截面的应力控制在设计和施工中显 得尤 其 重要 。沿 空心 板 梁 高 度 方 向取 5个 应 力点 ， 距 梁 底 高度 分别 为 6 0 m m， 2 9 2 m m， 4 7 5 mm， 6 5 8 mm， 8 2 5 mm， 分析在跨中集 中荷载 P P ， P 船 作用下各点的应 力变化。如 图7 、 图 8和图 9所示 。 综合图 7 、 图 8和 图 9可知 ： 在跨 中集 中力作用 下 ， 空心板 梁上 下缘应 力 随斜度 增大 而减 小。斜 度 1 5 。 ， 3 O 。 ， 4 5 。 空心板梁 的上缘应力分别约为 0 。 空心板 的 9 7 6 ， 9 2 7 和 8 2 0 。斜 度 1 5 。 ， 3 0 。 ， 4 5 。 空 心 板梁的下缘应力分别约为 0 。 空心板的 9 8 1 ， 8 9 9 和 7 5 4 。 2 0 1 3年第 3期 李金龙 等 ： 斜交角度对预应力混凝 土空心板梁受力特性 的影 响 7 星 曼 _ 一 加 。 距底 面距离， m r 8 6 4 日 2 姜 。 堪 一 2 4 6 - 8 图 7 P 作用下各点应力 +0。 +1 5 。 十3 0 。 一 45 。 ： t 0 o 。 ： 加 距底面距离， m n 图 8 P 作用下各点应力 一 。 = ： = 。 一 底距底面距 离， m I - 图 9 P 作用下各点应力 2 4斜 度对 支 点反 力 的影 响 桥梁结构的支点反力是桥梁设计 中的重要数据 ， 它关系到支座的选取以及桥梁下部结构 的整体设计。 正 确地 了解 斜度 对 支 点反 力 的影 响 ， 在 桥 梁 设 计 中至 关重要。在 P _P P 船作用下 ， 不 同斜度空心板锐角 支 点和钝 角 支点 的反 力 如 图 1 0所示 。 图 1 0表明， 由于扭矩 的存在 ， 在跨中集 中荷载 的 作用下 ， 梁体会发生扭转和翘曲变形。随着斜度增大， 锐角支点所承担 的反力逐渐减小 ， 当斜度 1 0 。 时， 开 始出现负反力 ， 并 随斜度增大而呈负增长趋势 。当斜 。 一 - 一 斜 度 ， ( 。 ) 、 图 1 0 P P ， P 作用下支点反力随斜度 的变化 度 3 0 。 时 ， 这种增 长趋 势 开始减 慢 。在结 构设 计 中需 要充 分考 虑负 反力 的 出现 ， 并 设置 抗拉 支座 。 3 结 论 通过建立 A B A Q U S有 限元模 型， 分析跨径 2 0 m 空心板梁受集 中荷载 P P P 船作用时跨 中截面挠 度、 应力以及支点反力 的变化情况 ， 通过 试验数据对 比 ， 得 出以下结 论 ： 1 ) 在跨 中集中力作用下 ， 跨中截 面挠度随斜度 的 增大 而减 小 。斜度 l 5 。 ， 3 0 。 ， 4 5 。 空 心 板 的挠 度 约为 0 。 空心 板 的 9 7 ， 8 7 ， 7 1 左 右 。 2 ) 在跨 中集中力作用下 ， 空心板梁上下缘应力 随 斜度 的增 大而 减小 。斜 度 1 5 。 ， 3 0 。 ， 4 5 。 空 心 板梁 的上 缘应 力约 为 0 。 空 心 板 的 9 8 ， 9 3 ， 8 2 左 右 。斜 度 1 5 。 ， 3 0 。 ， 4 5 。 空 心板梁 的下缘 应力约 为 0 。 空心 板 的 9 8 ， 9 0 ， 7 5 左 右 。 3 ) 当斜 度超 过 1 0 。 时， 锐角 区开始 出现负 反力。 斜度 1 5 。 的空心板梁锐角和钝角支反力的绝对值 比约 为 0 1 5 ， 斜度 3 0 。 的空心板梁锐角和钝角支反力 的绝 对值 比约为 0 4 5 ， 斜度 4 5 。 的空心板梁锐角 和钝角支 反力 的绝 对值 比约 为 0 5 5 。 参 考 文 献 1 刘汉彩 梁格法在 斜桥检 测计算 中的应用 D 重庆 ： 重 庆 大学 ， 2 0 0 8 2 张或 ， 张慧 ， 马佳铮 斜交 角变化对 斜交弯 梁桥结 构内力影 响的计算 分析 J 石 家庄铁 道大 学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 1 1 ， 6 ( 2)： 6 1 0 3 邱 利锐 混凝土空 心板梁 底纵 向裂 缝对结 构受力 的影响分 析 J 铁道建筑 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 5 3 5 5 4 姚 玲森 桥梁工程 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 9 5 徐 涛 ， 吕福钢 ， 万其柏 斜 桥计算 分析 的发 展 J 辽宁交通 科技 ， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 7 1 7 2 ( 责任审编 孟庆伶) 角 角 角 角 角 角 锐 钝 锐 钝 锐钝 下 下 下 下 下 下 用 用 用 用 用 用 作 作 作 作 作 作 ) ) ) ) ) ) 3 2 2 l 1 一 l 2 、 埙似 ，2 2 O