预应力混凝土箱梁桥正常使用性能三维有限元分析.pdf

2 0 1 0年 第 2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 0 ) 0 2 - 0 0 0 1 -03 预应力混凝 土箱梁桥正 常使用性 能三维有 限元分析 何 伟 ， 刘世 明 ， 刘春杰 ， 赵顺 波 ( 1 华北水利水 电学院 土木与交通学院 ， 郑州4 5 0 0 1 1 ；2 焦作市公 路管理局 ， 河南 焦作4 5 4 1 5 2 ) 摘要 ： 以三维有限元技 术为手段 ， 结合 公路桥涵设计通用规 范 ( J T G D 6 0 -2 0 0 4 ) 和 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 ) ， 对沙河大桥进行了持久状况正常使 用极限状 态和使 用阶段工作状况校核。计算结果显示， 沙河大桥箱梁满足适用性要求。此外 ， 在沙河大桥跨端箱梁顶板 上缘局部 出现了拉应力区， 拉应力的存在是在该 区混凝土中易出现横向裂纹的主要原 因。 关键词： 预应力 混凝土箱梁三维有限元校核 中图分类号 ： U 4 4 8 2 1 5文献标 识码 ： A 目前 ， 我 国已建 和在 建 的很 大 一部 分 桥 梁 为预 应 力混 凝土连 续箱梁 桥 ， 由于设计 、 施工 缺 陷 ， 以及 环境 、 管理 养护等 的综合 作用 和 影 响 ， 在 营运 过 程 中导致 桥 梁结 构产生局 部损 伤甚 至 出现病 害 ， 严 重 影 响桥 梁 的 正常使 用 。特 别是 自2 0 0 4年后 公 路 桥涵设 计通用 规 范 ( J T G D 6 0 -2 0 0 4 ) 和 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) 开始实施 ， 公 路桥涵设计通用规 范( J T J 0 2 l 一8 9 ) 和 公路钢筋混 凝 土及预 应 力 混 凝 土 桥 涵 设计 规 范 ( J T G 0 2 3 8 5 ) 等停止使 用 。新 规范下 设计按 承载 能力 和正 常使用 两 种 极限状 态来进 行 。由于 国内相 当一部分 预应 力混 凝 土连续箱 梁桥是 按 当时 的规 范 设 计 的 ， 经过 了多 年 的 运营， 随着交通流量和荷载等级 的提高 ， 在新规范体系 下 ， 桥梁 的性 能状 况如何 值得研 究 。 1 工 程概 况 焦 作孔村 沙河 大桥位 于焦作 市东 沙河 与新河交 汇 处 ， 该处 河段平 缓 ， 主 河槽 窄 浅 ， 属 宽 阔河 滩 。控 制 流 域 面积 1 2 1 4 k m ， 百 年一遇 洪水 流量 为 1 5 3 5 I T I s ； 河 床 地质为 亚黏土 ， 含 1 0 2 0 姜 石 。桥 梁 上部 结 构 为 先张法 部分预 应力混 凝土低 高度 箱梁结 构 。每孔 桥 共八 片主梁 ， 每 片主梁全 宽 2 1 m， 箱梁 控 制截 面 尺 寸 以及 预 应 力 钢 绞 线 布 置 见 图 1 。 箱 梁 宽 2 1 m， 高 0 7 5 m， 跨度 =1 6 0 m， 计算跨度 =1 5 5 m， 高跨 比 1 2 1 3 。下部结构为三柱式钻孔灌 注桩墩台， 其 中 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 4 - 0 3 ； 修 回日期 ： 2 0 0 9 1 1 1 2 基金项 目： 郑州市 2 0 0 7年度科技 发展计划 ( 6 - 3 4) ； 华 北水利 水电学 院 青年科研基金( HS Q J 2 0 0 9 0 0 6 ) 。 作者简介 ： 何伟( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 湖北黄冈人 ， 讲师 ， 硕士。 立 柱直 径 1 3 m， 钻 孔 灌 注 桩 直 径 为 1 5 m。全 桥 共 3 1 1 6 m， 总长 4 9 9 1 1 m。原 设 计荷 载 为 汽车 超一2 0 级 ， 挂 车一 1 2 0 。桥 面净 宽 ( 1 5 5+20 7 5 )m 人 行 道 。地震 烈度 7级 。考 虑 到低 高 度箱 梁 横 向宽 ， 稳定 性 好 ， 抗扭 刚度 大 ， 为施工 方便 ， 各梁 之 间不设横 隔板 ， 箱 梁 的横 向整 体 性 依 靠 钢 筋 混 凝 土 桥 面 铺 装 层 来 实 现 。桥 面铺装 混凝 土强度 等级 C 3 0 ， 厚度 8 c m， 上下 各 布置一层 4 , 8 m m2 0 mm钢筋 网 。 该桥 于 1 9 9 9年元 月完 成 设 计 ， 当时采 用 的是 公 路桥 涵设计 通 用 规 范( J T J 0 2 1 8 9) 这 一 旧 的规 范 。 目前 ， 随着 经济 的发 展 ， 该 公路 车 流 量 急剧 攀 升 ， 桥 梁 超载现象严重 ， 局部 已经出现 了病害， 桥面铺装开裂。 上级 管理单 位计划 对 该 桥进 行 加 固或拆 除处 理 ， 因此 必须分析该桥在新规范体系下桥梁的力学性能 ， 评估 桥梁的安全状况 ， 为上级相关部 门的决策提供理论依 据 ， 为 同类 型桥梁铺 装 层 裂缝 的成 因分 析 与加 固处理 提供借鉴 。 I l l r 一 厂 ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： I6 I 1 0 ( 5 5 I 6 l f l 6 7 J 图 l 箱梁横截面和预应力筋布置( 单位 ： c m) 2沙河大桥单跨 三维有 限元模型 根据本桥实际情况 ， 为了确保该桥的安全运营 ， 以 2 0 0 4版 公路桥涵设计通 用规范( J T G D 6 0 -2 0 0 4) 2 铁道建筑 F e b r u a r y ， 2 0 1 0 和 公路钢筋混凝土和预应力混凝土设计通用规范 ( J T G D 6 2 -2 0 0 4 ) 等新规范作为依据利用三维有限元 模型分析检验桥梁的工作状态。考虑到考虑正常使用 极限状态的可靠度比承载能力极限状态低得多， 因此 在评 估全 桥 的工 作状 态 时 ， 主要 研 究 持久 状 况 正 常使 用极 限状态 和使 用阶段 进行 验算 。根 据持 久状况 下荷 载组合要求 的内容计算应力 、 挠度 ， 验算是否符合现行 规 范要求 。 在计算 中根据施工流程划分结构计算阶段 ， 各部 分 的尺寸 按原设 计 图纸确定 。全桥 有 限元 模型 为空 间 实 体单元 结构 ， 一共使 用 了 2类单元 来模 拟原结 构 ： 主 梁 、 沥青 混凝 土铺 装、 防水 混凝 土铺 装 等结 构 采用 S O L I D 4 5单元来模拟 ； 预应力筋采用了 L I N K 8单元来 模 拟 。预应 力 筋 与混 凝 土 模 型 间采 用 分 离 式 模 型处 理 。全桥 有 限元 计 算 模 型共 计 7 2 2 9 2 个 节 点 ， 5 7 8 2 4 个 单元 ， 5种材 料 属 性 。单 片 箱 梁及 全 桥 三 维 有 限元 模 型分 别如 图 2 、 图 3所 示 。 图 2单片箱梁有 限元模型 图 3单跨有限元模型 图 桥梁有 限元模 型应 尽可 能根据桥 梁连 接部位 的 固 有特性来模拟边界条件 。沙河大桥采用 了两种支座， 桥台上采用 了滑板支座而桥墩上采用橡胶支座， 对于 每 片单梁来 说是 简支 的 ， 因此假 定 桥 台端 内侧 支 座约 束横 向、 纵 向和竖向线位移 ， 桥台端外侧支座约束纵向 和竖 向线位移 ； 桥墩端内侧支座约束横向和竖 向线位 移 ， 桥墩端外侧支座约束竖向线位移。此外， 在本桥的 计算 中主要考 虑 了一 下 几 点基 本 假定 ： 不 考 虑 混凝 土 和钢筋 之间 的黏 结滑 移 ， 假 定 两 者变 形 协调 。 模 型 中分别 考虑 了预应 力 筋 和普 通 钢 筋 的作 用 ， 预 应力 筋通 过建 立预应 力筋 单 元 运 用 降温 法来 模 拟 初 加力 ， 并考虑了预应力的沿程损失 ， 普通钢筋的影响与混凝 土统一考虑 ， 采用整体法模拟。单片箱梁简化为简 支 ， 由于各梁之间不设横隔板 ， 因此箱梁桥的各片主梁 之间完全独立， 不考虑箱梁之间直接联系， 但相邻箱梁 之间完全通过桥面铺装层连接。不考虑桥 面的横 坡 、 纵坡效 应 。 3主要验算标准 在运用新规范进行 旧桥验算时 ， 考虑正常使用极 限状态的可靠度比承载能力极 限状态低得多 ， 验算时 主要考虑了持久状况正常使用极限状态和使用阶段相 关条款。持久状况设计按正常使用极限状态的要求 ， 采用作用( 或荷载 ) 的短期效应组合 、 长期效应组合或 短期 效应 组合并 考虑 长期 效 应组 合 的影 响 ， 对 构 件进 行验算， 并使各项计算值不超过规范限值。沙河大桥 箱梁混凝土强度等级 C 5 0 ， 混凝土抗拉强度标准值 厶 = 2 6 5 MP a ， 混 凝 土抗 压 强 度标 准 值 厶 =3 2 4 MP a 。 主梁均 为 A类 预 应 力 混凝 土 受 弯 构 件 。按 规 范进 行 正 截 面和斜截 面抗裂验 算 ： 1 ) 正截面 抗 裂 对 构 件 正 截 面混 凝 土 的拉 应 力进 行 验算 ， A类 预 应力 混 凝 土 构 件 ， 在 作 用 ( 或 荷 载 ) 短 期 效应组 合下 ， 符 合下列 要求 ： 一 。 0 7 f , = 1 8 5 5 MP a ( 1 ) 但 在荷 载长期 效应组合 下 “一 0 ( 2 ) 2 ) 斜截 面 抗 裂应 对 构 件 截 面 混凝 土 的 主拉 应 力 进行 验 算 ， A类 预 应 力 混 凝 土 构 件 ， 在 作 用 ( 或荷 载 ) 短期 效 应 组 合 下 ， 现 场 浇 筑 构 件 ， 应 符 合 下 列 要 求 ： 0 5 f , ： 1 3 2 5 MP a ( 3 ) 式中， 为在作用( 或荷载 ) 短期效应组合下构件抗裂 验算 边缘 混凝 土 的法 向拉应 力 ； 为在荷 载长 期效 应 组合 下构件抗 裂验算 边缘 混凝 土 的法 向拉 应力 ； 。 为 扣除全部预应力损失后预应力在构件抗裂验算边缘产 生 的混凝土 预压应力 ； 为 由作用 ( 或荷 载 ) 短期效 应 组合 和预应 力产生 的混凝 土主拉 应力 。 按持久状况设计的预应力混凝土受弯构件， 应验 算其 使用 阶段正 截面混 凝 土 的 法 向压 应力 ， 受 拉 区钢 筋的拉应力和斜截面混凝土的主压应力。是否符合规 范 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 ) 7 1 5的规定 ， 受压区混凝土的最 大压 应力 k+ 。 0 5 f c I= 1 6 2 ( 4 ) 式 中 ， o r 为 由作用 ( 或 荷载 ) 标 准值 产生 的混 凝 土法 向 压 应力 ； 。 为 由预加力产 生 的混凝 土法 向拉应 力 。 3 ) 使用 阶段斜 截面 混凝 土 主压应力 验算 。 根据 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 ) 第 7 1 6条规范 ： 使用阶段预 2 0 1 0年第 2期 预应力混凝土箱梁 桥正常使 用性 能三维有 限元分析 3 应力 混凝 土受弯 构件 正 截 面混 凝 土 的 主压 应 力 ， 应 符 合下 列规定 ： 0 6 f , =0 63 2 4 = 1 9 4 MP a ( 5 ) 式 中 ， o r 为 计 算使 用 阶段 预应 力 混凝 土构 件应 力 时 ， 由预加力 产生 的正截 面混凝 土压应 力 。 4计算结果分析 计算 全桥 的整体 效应 时用 车 道荷 载 ， 计 算 局 部 效 应 时采用 了车辆 荷 载 。车 载 的布 置横 向按 偏 载 、 中 载 和左 右对称 偏载 布载 ， 纵 向按使 跨 中 、 1 4跨 、 3 4跨 弯 矩最 大 ， 纵横 两两 组合 9种不 同形式 布载 ， 全桥共 计算 9种工况 。 4 1 作用短 期效应 组合 1 ) 箱梁 混 凝 土 正 截 面 法 向应 力 。各 工 况 下 箱 梁 正截 面法 向应 力分 布特 征基本 相似 。箱梁底 板混 凝 土 纵 向应 力基本 为 压应 力 ， 且 随与 桥 台距 离 的增 大 混凝 土纵 向应力呈 减小 趋 势 ， 竖 向 随着距 离预 应 力筋 位 置 增大而 减小 。箱梁底 板混 凝土 正截 面法 向压 应力 值一 般为 8 11 2 7 M P a 。箱梁 顶板 混凝 土 正截 面 法 向压 应力一般达到 3 7 5 2 M P a ， 满足规范要求。 2 ) 箱 梁 混 凝 土 主 拉 应力 。箱 梁 腹 板 和底 板 主 应 力 基本都 为 压 应 力 ， 且 分 布 比较 均 匀 ， 不 计 应 力 集 中 区 ， 各工 况下在 箱梁底 板 中主 应力 中最 大压 应 力 达 到 1 3 2 MP a 。工况 二 、 工况 三 、 工 况 六 、 工 况 九等 工 况 下 箱 梁顶板 出现局 部 主拉 应力 ， 在工 况 八 下箱 梁 翼 缘 附 近存 在小 范 围的主拉 应力 ， 最 大值 为 1 2 MP a ， 满 足 规 范要 求 。 4 2作用长 期效应 组合 作用长期 效应 组合 时各工 况下箱 梁 正截面法 向应 力分 布特征基 本相 似 。各 工况 下箱梁 底板 混凝土 正截 面法 向应力基 本为 压应 力 ， 且 随 与 桥 台距 离 的增 大混 凝 土纵 向压应 力应 力呈 减 小趋 势 ， 竖 向随 着距 离预 应 力 筋位 置增大 而减小 ， 箱梁 顶 面基 本 为 压 应力 且 分 布 均 匀 。不 计应力 集 中区域在 箱梁底 板混 凝土 正截 面法 向压 应力 一般 为 8 21 2 7 MP a 。在 箱梁 顶板 正 截 面 法 向应 力 基 本 为 压 应 力 ， 且 分 布 均 匀 ， 一 般 为 3 6 3 8 MP a ， 满足 规范 中的要 求 。 4 3 使 用 阶段混凝 土应 力验算 1 ) 箱梁混凝土法 向应力。各工况下箱梁混凝 土 法 向应 力基本 为压 应力 ， 随着 与 桥 台距 离 的 增 大法 向 应 力呈减 小趋 势 ， 竖 向随距 离 预 应 力筋 位 置 增 大压 应 力值减小 。箱梁腹板 与翼缘连接处应力变化显著 ， 箱 梁底板压应力值 比较大 ， 不计应力集 中区箱梁底板混 凝 土法 向压应 力值在 工况一 、 工况 二 、 工况三 、 工况 八 、 工 况九 中一般 为 1 2 71 7 2 M P a ， 在 工 况 四 、 工 况 五 、 工况 六 、 工 况七 中箱 梁底 板 混 凝 土 法 向压 应 力 值 一般 为 1 0 91 5 7 MP a 。箱梁顶板混凝 土法 向压应力值 一 般为 0 7 3 7 M P a ， 满足规范要求。 工况 四 、 五和六 中 ， 靠 近桥 台两端 箱梁 顶板 上缘局 部 出现 了拉 应 力 区 ， 拉 应力 值 一 般 为 0 41 3 MP a 。 该拉 应力 的存在 是该 区混凝 土 中易 出现横 向裂 纹的 主 要原 因 ， 在 该 区往 往 处于桥 面锚 固带 附近 ， 因而加 剧 了 灾 害的发 生 。所 以在 进行 预应力 混凝 土连续 箱梁 桥设 计时对于该 区应采取增加轴 向预加力或增大纵向受力 钢筋 配筋率 等 预防措施 。 2 ) 箱梁 混凝 土主压应力 。各工况下箱梁混凝土 主压应分布特征相似。整体上箱梁下部主压应力数值 大于上 部 ； 跨 中混 凝 土 主压 应 力 值小 于 箱 梁 两端 处 主 压应力 值 。不考 虑局 部 应力 集 中 区 ， 箱 梁 底 板 主压 应 力最大 值 为 1 4 5 MP a 。箱 梁顶 板 混 凝 土 中主 压 应 力 值 分布 在 3 9 4 6 M P a 之 间 ， 满 足规 范要求 。 4 4 使 用 阶段挠 度验算 沙 河大桥 在使 用 阶段 ， 不 计 自重 ， 并 考虑 长期效应 的影响时 ， 各工况下最大挠度值为0 0 0 8 4 m， 为计算 跨径的1 1 9 0 0 ， 满足规范要求。 4 5 使 用 阶段 预应 力钢筋 应 力验算 使 用 阶 段 各 工 况 下 预 应 力 钢 筋 最 大 拉 应 力 为 1 1 2 8 2 MP a ， 小 于 规 范 限 值 1 2 0 9 MP a ， 满 足 规 范 要 求 。 5 结 论 以焦作 沙河 大 桥 为实 例 研 究 了在 2 0 0 4版规 范 体 系下采用三维实体有限元模型进行桥梁的工作状况校 核 ， 从计 算 分析来 看 ， 持 久状 况正 常使用 极 限状态 短期 效应组 合 、 长期效 应组 合 和 使 用 阶段 时 沙 河 大桥 箱 梁 各主要指标均满足新规范相关条款 ， 说明沙河大桥箱 梁 满足 适用性 要 求 。通过 计 算 发 现 ， 部 分 工况 下 跨 端 箱梁顶板上缘局部 出现了拉应力区， 该拉应力 的存 在 是在 该 区混凝 土 中易 出现 横 向裂 纹 的主 要 原 因 ， 在设 计 时应采 取一定 的预防措 施 。 参 考 文 献 1 范立础 桥梁工程 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 1 9 8 8 2 中交公路规划设计 院 J T G D 6 0 -2 0 0 4 公路桥涵设计通用 规 范 s 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 3 中交公路规划设计 院 J T G D 6 2 -2 0 0 4 公路钢筋混凝土及 预应力混凝土桥涵设计规范 s 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 4 交通部公路规划设计 院 J T J 0 2 l 一8 9 公 路桥涵设 计通用 规范 S 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 8 9 ( 责任 审编 白敏华)