变截面预应力混凝土连续箱梁桥0-号块空间应力分析.pdf

公路交通技术2 0 1 3年 2月 第 1期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t F e b 2 0 1 3 N o 1 变截面预应力混凝土连续箱梁桥 O # 块空间应力分析 宁 舟， 李传 习， 欧见仁 ( 长沙理工大学土木与建筑学院， 长沙4 1 0 0 0 4 ) 摘要： 针对预应力对薄壁箱梁结构0 块剪滞效应影响研究不足的现状， 以某变截面预应力混凝土连续箱梁桥为背 景工程， 基于 Mi d a s C i v i l 建立全桥整体模型， 并用 A N S Y S建立该桥 0 块 实体模型。分析 0 块在不同工况下的空间 应力状况， 揭示0 块的受力特性和应力分布规律 ， 同时分析最大双悬臂状态下预应力对箱梁 0 块剪力滞效应的影 响， 得 出预应力对剪力滞效应有抑制作用等结论。 关键词 ： 连续箱梁桥； A N S Y S ； 0 块 ； 应力分布规律； 剪力滞 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 4 2 0 5 中图分类号： U 4 4 8 2 1 3 文献标识码： A An a ly s i s f or S t r e s s o f N0 0 Bl o c k Sp a c e o f Va r ia b le Cr o s s - s e c t i o n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i n u o u s Bo x g i r d e r Br id g e s N I NG Z h o uL I C h u a n x i OU J i a n r e n Ab s t r a c t ：Ai mi n g a t t h e s t a t u s o f i n s u ffi c i e n t r e s e a r c h o n i n flu e n c e s o f s t r e s s o n s he a r l a g e f f e c t o f No 0 bl o c k s o f t hi n wa l l b o x g i r d e r s t r uc t u r e s，t h i s pa p e r e s t a bl i s h e s i n t e g r a l mo d l e o f t h e wh o l e b r i d g e ba s e d o n Mi d a s Ci v i l wi t h s o me v a r i a b l e c r o s s s e c t i o n p r e s t r e s s e d c o nc r e t e c o n t i n u o us b o x- g i r d e r b r i dg e a s a b a c k g r o u n d p r o j e c t a n d e s t a b l i s h e s p h y s i c a l m o d e l o f N o 0 b l o c k s v i a A N S Y S T h e p a p e r a n a l y z e s s p a c e s t r e s s c o n d i t i o n s o f No 0 b l o c k s u n d e r d i f f e r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s a n d d i s c l o s e s l o a d e d c h a r a c t e r i s t i c s a n d di s t r i bu t i o n l a w o f s t r e s s o f No 0 b l o c k s，a n d me a n t i me a n a l y z e s i n fl ue n c e s o f p r e s t r e s s o n s h e a r l a g e f f e c t o f No 0 b l o c k s o f b o x g i r d e r s i n t h e s t a t e o f t h e ma x d o u b l e c a n t i l e v e r s t o o b t a i n c o n c l u s i o n s t h a t p r e s t r e s s ha s i n h i b i t o r y a c t i o n f o r s h e a r l a g e f f e c t ，e t e Ke y wor ds ：c o n t i n u o us b o x g i r d e r b r i dg e s ；ANS YS；No 0 bl o c k；d i s t r i bu t i o n l a w o f s t r e s s；s h e a r l a g 变截面预应力混凝土连续梁桥 由于在恒活载作 用下支点负弯矩对跨中有卸载作用， 使内力状态比 较合理， 同时还能增大桥下净空 ， 节省材料 ， 因此 近年来其已成为广泛采用 的桥型。在对变截面预应 力混凝土连续梁桥进行整体设计时 ， 通常会利用平 面杆系程序进行计算 ， 而在 0 块范 围内一般有沿桥 跨方向变厚度的顶板 、 腹板 、 底板以及带人孔洞的横 隔板 ， 并且在各板件之间还有不同形状的承托倒角 ， 这些因素决定 了其应力是复杂 的三维应力状态 ， 仅 仅采用平面杆系程序进行分析难以满足 0 块的受 力要求 ， 应对0 块进行局部空间受力分析 J 。葛素 娟等 以水南特大桥主桥为研究对象， 利用大型通 用有限元程序 Mi d a s C i v i l 建立 了该桥桥墩 0 块 的 空间有限元计算模型，对 0 块在施工阶段及成桥运 营阶段 2种工况下的应力进行了分析 。于高志等 以龙华松花江特大桥为研究对象 ， 利用有 限元程序 A n s y s 对龙华松花江特大桥 的 0 块 内横隔板建立空 间三维有限元模型 ， 并对其在各个施工 阶段 内的受 力情况进行空间分析。王艳等 以孙 口黄河公路大 桥为工程实例 ， 运用 Mi d a s C i v i l 和 A n s y s 有限元程 序分别建立了该桥梁 的整体计算模型 和 0 块梁段 的局部计算模型，考虑桥梁施工 、 成桥以及运 营阶 段多种工况对 0 块梁段进行 了局部受力分析。依 据其计算， 该桥梁原设计的 0 块梁段隔板与腹板、 底板交接处， 底板支座等部位较为薄弱， 需局部加 强。从这些计算可以看出， 用大型程序对箱梁 0 块 进行 空 间应 力 分 析 在 实 践 中 已得 到 了 大 量 应 用 J ， 并取得 了良好效果。 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 0 7 7 8 0 2 4) ； 博士点基金 ( 2 0 1 1 4 3 1 6 1 0 0 0 2) ； 长湘高速公路 “ 两型” 科技示范工程项 目( C X K J S F 0 1 0 8 3 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 7 1 1 作者简介 ： 宁舟( 1 9 8 8 一 )， 男 ， 湖南省长沙市人 ， 在读研究生 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 1 期 宁 舟 ， 等 ： 变截面预应力混凝土连续箱梁桥 0 块空间应力分析 4 3 对于翼缘较宽的薄壁箱梁 ， 在发生对称挠 曲时 ， 由于翼板中的剪切变形使翼板远离肋板处 的纵向位 移滞后于肋板边缘处， 出现“ 剪力滞效应” 。早在 1 9 6 9 -1 9 7 1 年 ， 奥地利 、 英 国、 澳大利亚和德 国就发 生了 4起因没有足够重视“ 剪力滞效应” ， 导致应力 过分集中以致桥梁失稳破坏 的事故。此后 ， 薄壁箱 梁的剪力滞问题引起了各国桥梁专家的高度重视。 近几十年来大量学者从解析理论 、 数值解法和模 型 试验等方面对该 问题进行 了研究 ， 提 出了许多新的 设想和理论， 并获得了许多有价值的科研成果_ 9 。 但对于箱梁剪力滞的研究大多集 中在荷载和均布荷 载作用下的剪力滞分布规律_ 】 ， 而对于考虑预应力 对薄壁箱梁结构剪力滞效应影响的研究 ， 公开发表 的文献很少。本文 以某变截面预应力混凝土连续箱 梁桥为工程背景 ， 分析该桥 0 块在不 同工况下的受 力特性以及应力分布规律 ， 同时分析其在最大双悬 臂状态时， 预应力对箱梁 0 块剪力滞效应的影响。 1 工 程概 况 某桥上部结构为 4 0 m+ 7 0 m+ 4 0 m 变截面预应 力混凝土左右分幅连续箱梁， 主梁采用 C 5 0混凝土， 单幅采用变截面单箱单室。单幅箱梁顶宽1 0 m， 底宽 5 m。主梁 0 块高 3 5 m， 合龙段梁高均为 2 m。O 块 处腹板厚 0 6 m， 跨中截 面腹板厚 0 4 m。箱梁墩顶 底板厚 0 3 5 m， 跨中处为 0 2 m， 顶板厚度均为 0 2 5 m， 翼缘厚度均为0 2 m 。边跨和中跨合龙段长度均 为 2 m， 设 1 5 横坡， 2 纵坡。梁底 下缘按 2次抛 物线变化 ， 腹板厚度按线性变化 ， 墩顶处 0 块设 2 m 厚横隔板 ， 横隔板设人洞， 具体构造见图 1 。 聂 I 1 4 0一 j 墟 I 一 1 4 0 一 l I 一 一 1 4 0 一|6 Q | 6 Q 一 1 4 0 r 、 一 单位 ： c m 图 1 某桥 0 块纵 断面 2 计算分析 谢 肖礼等 指出， 采用有 限元法对大跨度桥梁 进行局部受力分析时 ， 可先用梁单元 对桥梁进行整 体计算 ， 得到桥梁局部切开节点处的内力和位移 ， 并 将此作为桥梁局部切开节点处的外力和位移边界条 件 ， 然后再进行桥梁局部变形和应力 计算 。本 文基 于上述思想 ， 将箱梁 0 块梁段从桥梁整体结构 中取 出， 用较为精确的空间实体单元模拟， 并将桥梁整体 分析得出的内力和位移值施加在局部切开处 ， 再对 箱梁 0 块梁段进行局部应力分析 ， 以了解箱梁 0 块 梁段局部受力特征。 2 1 空间有限元模型建立 根据圣维南原理 ， 为 了使所研究的 0 块端 面 的应力状况与实际情况相差不大 ， 应使 0 块端 面至 计算模型边界有一段足够长 的过渡区 ， 一般 为梁 高 的1 2 倍 ， 因此将 l 块也包含在计算模型中。 根据混凝土的受力特点， 混凝土采用 6面体 8 节点单元 s o l i d 6 5 进行模拟， 该单元具有塑性、 蠕变、 膨胀 、 应力强化 、 大变形和大应变的能力。当使用该 单元模拟三维实体模型时 ， 该实体单元具有拉裂与 压碎的性能 。该单元 的每个节点有 3个 自由度 ， 即 、Y 、 3个方向的线位移 ， 其单元位移函数为 ： f 1 0 0 “ = l 0 0 l卢 。 ( 1 ) 【 J l 0 0 J 其中， =l 1 z Y z x y y z x y z J ， 卢=l l 卢 2 为广义坐标 ， “ 、 、 W表示 、 y 、 3个方 向的 单元位移分量 ， 一般 常用单元节点位移来表示单元 位移 ， 表达式为 ： u 1 = 2 ： l = N a 。 ( 2 ) 【 式中， 0 表示单元节点位移列阵； N为插值函数矩 阵 N= N l I N l N k I N| I Nm I N l N p I N q I ， I 为 3除 单位矩阵 ， 该桥预应力钢绞线采用 L I N K 8单元 进行模拟 ， 该单元只能承受轴 向的拉压 。 由于模型是变截 面和变高度的 ， 且 由于结构复 杂 ， 采用一般方法难 以实现 ， 故本文采用的建模方法 是先以顶板及箱梁对称中心线为参考， 将箱梁截面 简化成几个参数， 且通过这些参数形成特征截面， 再 通过循环生成全部节点， 最后通过节点直接生成单 元 ， 这样有利于控制网格密度和单元形状， 并为预应 力的建模提供方便 。由于人洞处 的圆弧难以实 现 ， 故将其简化为折线形式， 模型离散为 6 7 5 9个节点， 2 3 3 0 个单元， 如图2所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 3丘 图 2 0 块有 限元模 型 2 2 荷载计算及施加 2 2 1 预应力荷载 在建立混凝土有限元模型时考虑 了预应力钢绞 线的空间位置 ， 通过 预应力和混凝土共用结点来模 拟预应力与混凝土的粘结作用。模型只考虑了纵 向 预应力的作用 ， 设计 中预应力采用的抗拉强度标准 值为 1 8 6 0 MP a ， 预应力钢绞线的张拉控制力为拉抗 强度标准值 的的 0 7 5倍 。模 型中预应力值采用 的 是有效预应力 ， 通过施加杆单元 的初应变来施加预 应力 。 2 2 2 轴力、 弯矩和剪力 对实体单元施加 内力 ， A n s y s 提供 了多种方法 。 考虑到 s o l i d 6 5单元本身只有 3个方向的线位移 J ， 因此 在 1 块前 端面形 心建立一个 主节点 ， 定 义为 MA S S 2 1单元 ， 其是一个具有 6个 自由度 的点元素 ， 即 、 Y和 方向的平动位移和绕 、 Y和 轴 的转动 位移。每个方 向可 以具有不 同的质量和转动惯量 。 对应端面的其余节点定义为从节点， 用 C E R I G命令 将该主节点与对应截面的所有节点耦合 ， 形成刚性区 域 J ， 主节点与从节点之间的约束方程为： U x =Ux + R Z R t Y ， U y s U y m - - R A X 尺 m A Z ， ( 3 ) = + y R ， U x s =U m， R s =R m， R =Rz m。 式 中， 下 角标 m、 s分别 表示 主节 点和从节 点 ； U x 、 、 表示 沿整体 坐标系 、 Y 、 z轴方 向的平 动位 移； R x 、 R y 、 R z 表示绕整体坐标系 、 Y 、 z 轴旋转的转 动位移 ， 然后从 Mi d a s模型 中提取相应工况下的 l 块前端面所受到的内力， 直接加到该节点上 3 J 。 0 块在施工阶段、 运营阶段的外荷载情况和边 界条件均不相同， 本文考虑2 种工况， 分别对箱梁0 块进行局部应力分析。 工况 1 ： 施工 阶段 中的最大双悬臂状态。 工况 2 ： 运营阶段弯矩最大 。 各工况下具体荷载见表 1 。 表 1 各工况下 1 块前端面 内力 2 3边界条件确定 根据 0 块在施工和运营阶段的受力特点 ， 结合 s o l i d 6 5 号单元本身的性质， 在各个工况下约束 0 块 底板下表面所有节点 、 Y 、 3个方 向的线位移 。 另外 ， 由于不同工况下 1 块端面的位移条件不一 样， 故根据 M id a s 的计算结果， 提取 1 块端面的纵向 位移 、 竖 向位移以及绕桥横向的转角位移 ， 其 中转角 位移用弧度表示。工况 1 和工况 2下 1 块端面位移 见表 2 。 表 2 各工况下 l 块前端面位移 注 ： D X、 D Z、 R Y分别表不沿桥纵 向位移 、 竖 向位 移 、 以及 绕桥横向的转角。 2 4 计算结果及分析 2 4 1 理论基础 确定 了单元位移后 ， 可 以利用几何方程 和物理 方程求得单元 的应变和应力 ， 其中 几何方程 ： = L u。 ( 4 ) 物理方程 ： = D 8。 ( 5 ) 式中， 为应变； 为应力； 为微分算子； D为弹性矩阵。 分析预应力混凝 土结构 ， 一般是先计算 其应力 大小 ， 再将此值同规范规定的值进行比较 ， 以此来讨 论结构的安全性。而在所有应力 中， 以主应力最具 代表性 。主应力是指当物体 内某一点微面积元上剪 应力为零时所对应力的正应力 ， 主应力一般有 3个 ， 即 l 、 2 、 3 ， 其 中 1 2 3 。 2 4 2 计算结果 通过计算得到 2种工况下 0 块 的横桥 向正应 力 、 第 1主应力和第 3主应力的分布情况， 计算结果 见表3 。本文仅列出工况 1 、 工况 2中典型代表的应 力云图， 具体见 图 3 5 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 3雏 挺 椒 顶板横 向位置 m 图6 剪力滞系数对 比 缓 。同时 ， 预应力的存在降低了剪力滞系数的峰值 ， 这是因为预应力使箱梁 内存在 了较大的压应力 ， 改 善 了其应力分布， 由此可以说 明预应力对 整个截面 的剪力滞效应有抑制作用 。 4结 语 通过对某 4 0 m+ 7 0 m+ 4 0 m变截面预应力混凝 土连续梁桥的0 块进行空间分析 ， 得到了其应力分 布规律， 并针对薄弱区域提出了如下解决措施 。 1 )由于靠近腹板区域的顶板拉应力较大 ， 且顶 板横桥向出现了较大拉应力 ， 因此应布置横向预应力。 2 )由于人洞对横隔板的削弱作用 ， 人洞附近区 域一直处于高应力状态 ， 因此施工横隔板时 ， 必须加 强施工控制及后期养护。若局部应力过大， 则可以 采取粘贴钢板及设置钢筋网片的方法以防止裂缝产 生 。 3 )箱梁底板支座处应力集中现象较为明显 ， 必 须进行局部处理 ， 可采取加强养护 、 粘贴碳纤维片及 设置钢筋网片的方法来 防止局部应力过大 。 4 )纵 向预应力对箱梁截 面的剪力滞效应有一 定的抑制作用 ， 施工中应注意预应力的张拉 ， 减少损 失 参 考 文 献 1 范立础 桥梁工程( 上册) M 北京： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 3 2 夏桂云预应力混凝土箱梁承载力与裂缝研究 D 长沙： 中南大学， 2 0 0 6 3 葛素娟， 李静斌 预应力混凝土连续刚构桥 0 块空间 分析 J 郑州大学学报， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 1 5 4 于志高， 郭锐， 张国辉 龙华松花江特大桥 0 块横隔 板受力分析 J 东北林业大学学报， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) ： 5 4 5 5 5 王艳， 陈淮， 大跨度悬臂拼装施工连续梁桥 0 梁 段局部应力分析 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 8 ， 5 ( 3) ： 2 3 2 7 6 赵瑁， 宋松林 连续梁桥的零号块应力分析 J 筑 路机械与施工机械化， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 7 0 7 2 7 谢肖礼， 彭文立， 秦荣 圣维南原理在钢管混凝土拱 桥分析中的应用 J 中国公路学报， 2 0 0 1 ， 1 4 ( 2 ) ： 3 3 3 5 8 郭金琼， 房贞政， 罗孝登 箱形梁桥剪滞效应分析 J 土木工程学报， 1 9 8 3 ， 1 6 ( 1 ) ： 1 1 3 9 罗旗帜 变截面多跨箱梁桥剪滞效应分析 J 中国公 路学报， 1 9 9 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 6 3 7 0 1 O 张士铎， 邓文华， 王文州 箱形薄壁剪力滞效应 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 7 1 1 徐芝伦 弹性力学简明教程 Mj 北京： 高等教育出版 社 ， 2 0 0 1 1 2 王勖成 有 限单元法 M 北京 ： 清华大学 出版社， 20 0 2 1 3 邢静忠， 王永岗 有 限元基础与 A N S Y S入门 M 北 京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 1 4 王新敏 A N S Y S工程结构数值分析 M 北京： 人民交 通出版社 ， 2 0 0 9 0 -c ( 上接第 4 l页) 机理 J 土木建筑与环境工程， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 6 ) ： 5 5 5 9 1 3 陈静云 沥青路面再生方法的试验研究 D 大连 ： 大 连理工大学 ， 2 0 1 1 1 4 曾泳淮 ， 林树昌 分析化学 M 北京 ： 高等教育出版 社 ， 2 0 0 4 1 5 耿九光 沥青老化机理及再生技术研究 D 西安 ： 长 安大学 ， 2 0 1 0 1 6 水恒福， 沈本贤， 高晋生， 等 H N M R I R对道路沥青改 质过程研究 J 燃料化学学报， 1 9 9 9 ， 2 5 ( 5 ) ： 4 2 4 4 2 8 I 7 Y o u n g S D o h ，S e r j i N A mi r k h a n i a n A n a l y s i s o f u n b a l a n c e d b i n d e r o x i d a t i o n l e v e l i n r e c y c l e d a s p h a l t m i x t u r e u s i n g G P C J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 8 ( 2 2 ) ：1 2 5 3 1 2 6 0 1 8 S a d d i q u i M N， A l i s M F S t u d i e s O i l t h e a g i n g b e h a v i o r o f t h e a r a b i u m a s p h a l t s J F u e l ， 1 9 9 9 ( 7 8 ) ： 1 0 0 5 1 0 1 5 1 9 李美霞， 浏晨光， 梁文杰 用电导率法研究石油中沥青 质沉积问题 J 石油学报( 石油加工) ， 1 9 9 8 ， 1 4 ( 4 ) ： 7 479 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m