预应力混凝土箱梁温度应力分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 3 年第3 期( 总第 1 7 7期) 预应 力混凝土箱梁温度应力分析 王丕祥 ， 霍健 ( 东北林业大学 。 哈尔滨1 5 0 0 4 0) 【 摘要】 指出了温度应力的种类及温度对于悬臂施工应力的影响， 通过对浇筑完成粱段根部传感器实测 温度及应变值的测读、 比较 ， 得到应力变化与温度变化之间的对应关系， 对实测应变值进行精确修正， 在此基础 上 ， 根据实验室测得的各项参数， 输入有限元计算软件中， 得到应力理论计算值， 对比修正应力值与理论值的差 异， 确定温度修正的准确性。根据文中提出的温度应力修正方法， 所得理论值与修正值变化趋势基本一致， 可以 为工程应用提供依据。 【 关键词】 预应力箱梁； 温度应力； 有限元 ； 施工控制 【 中图分类号】 T U 3 7 8 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 8 0 0 3 预应力混凝土连续梁桥， 因其施工技术成熟 、 适应性 强， 近年来被广泛采用。采用箱形截面， 使桥梁的跨越能力 大大增加， 目前在 4 01 5 0 m范围内， 预应力混凝土连续箱 梁占主导地位_ l 0 。跨径的不断增大， 对施工技术水平要求 更高的同时， 对于确保工程质量也是个很大的挑战。因此 在桥梁施工过程中进行应力监控是必要的。 本文中桥梁桥位区属于南亚热带季风气候 ， 年平均气 温2 1 8 0 ， 极端最高气温 3 8 7 ， 温度对施工应力监控的 影响不容小觑。应力监测作为施工监控的主要手段， 为分 析计算提供第一手数据。对监测所得应力数据必须进行修 正， 否则不能很好的反映实际情况。 1 温度对监控应力的影响 桥梁结构因外界条件变化而引起的温度效应主要有两 大类 ： 年温差效应和局部温差效应。前者是指常年缓慢变 化的年气温差， 它主要是导致桥梁各截面的均匀温升或温 降、 伸长或缩短， 当上述位移受到约束时， 结构将产生温度 次内力； 后者多由于日照辐射或骤然降温所引起， 它的传热 方式在各截面上分布是不均匀的、 非线性的， 由于截面非线 性温度胀缩 与平 截面 变形 间 的差异 ， 导致 桥梁截 面上 产 生 自应力。连续梁在悬臂施工阶段处于“ T ” 构的静定状态， 因 此梁体内只产生 自应力。对于超静定结构 ， 截面除了产生 自应力外 ， 还将产生次内力 。 2工程应用 2 1 工程概况 文中涉及桥梁为在建桥梁， 该桥全长为3 5 6 m， 主桥结构 形式采用( 5 O+ 8 1+ 1 4 4+ 8 1 ) m P C连续箱梁。主梁采用单 箱单室箱形截面， 单幅桥面宽 1 6 2 5 m， 箱宽7 8 m， 两侧翼缘 板悬臂长4 2 2 5 m。按三向预应力设计 ， 梁高和底板厚度均 按二次抛物线变化， 主梁横坡由腹板高度调整， 底板保持水 平， 顶板横向设置 2 的横坡。设计汽车荷载为公路 一 I 级。在主墩墩顶与箱梁临时固结采用挂篮悬臂施工 ， 边跨 合龙段在落地支架上浇筑， 中跨合龙段在吊架上现浇。全 o oO 00 o0 0 o 00 0o o0 oe 0o 0o o0 0 0 00 oO o 0 o0 00 oo 00 oo o 0 oO 0O 00 00 00 o O Oo oo 0 0 0o 00 0 O 00 0O 0o o0 o0 0o 0 0 o0 oo 0o 0o oO 0 止计算。本文中分析中， 通过在 i n p文件中改变关键字 C o n t r o l s 中的参数将其设置为3 O ， 这样的设置对一些难于 收敛的问题有一定的效果。同时有限元分析建模时对结构 进行了理想化， 而实际试验过程中有很多地方无法达到理想 状态 ， 材料参数的不准确等都会对有限元模拟的结果产生一 定的影响。 5结语 ( 1 ) 当试验模型结构处 于弹性 阶段 时， A N S Y S和 A B A QU S的三维杆系模型均能较好模拟结构的层间位移与 加速度响应， 且 A N S Y S具有更好的模拟效果； ( 2 ) 本文所建立的弹塑性精细化模型能较好模拟试 验结构弹塑性阶段的加速度和层间位移反应过程， 并且能模 拟混凝土剪力墙和钢筋笼的塑性损伤发展过程。 参考文献 1 秦素娟 高层 钢一混凝士混合结构 弹塑性 动力时程及能量 反 应分析 D 长沙： 中南大学， 2 0 0 8 汪大绥 ， 周建龙 我 国高层建筑 钢 一混凝 土混合结 构发展 与 展望 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 0 ， ( 6 ) 庄茁， 张帆， 岑松 A B A Q U S非线性有限元分析实例 M 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 5 张劲 ， 王庆扬 ， 胡守营等 AB A Q U S混凝 ： L损伤塑性 模型参 数 验证 J 建筑结构， 2 0 0 8 ， ( 8 ) 张小清 钢框架钢筋混凝土核心筒结构受力性 能的非线性 有限元分析 D 长沙： 湖南大学， 2 0 0 7 王金昌， 陈页开 A B A Q U S 在土木工程中的应用 M 杭州： 浙 江大学 出版社 ， 2 0 0 6 张文远 ， 费红姿 ， 连尉安， 等 A B A Q U S动力 学有限元分析 指南 M 北京 ： 中国图书 出版社 ， 2 o o 5 收稿 日期 2 0 1 21 I一 2 l 作者简 介】 李玉龙 ( 1 9 8 8一) ， 男 ， 甘肃武威人 ， 硕士研究 生 从事结构抗震研究 。 11 王丕祥等： 预应力混凝土箱梁温度应力分析 8 1 桥按“ 对称悬臂浇筑一边跨合龙一 中跨合龙” 的步骤进行 ， 立面布置图如图 1 所示。 2 2 建立模型 选取 1 5 墩“ T ” 构， 采用桥梁分析软件 mi d a s 建立悬臂 阶段模型。上部结构划分为 5 2个单元， 5 5个节点， 下部结 构划分为 7 3 个单元 ， 1 4 0个节点， 模型共划分 1 2 5个单元 ， 图1 主桥立面布置图 2 3测点布置 季节温差主要引起桥梁结构的整体升温或者降温、 梁 体的伸长或者缩短 ， 在没有外部约束的情况下并不产生温 度应力H J 。为了更深入的了解梁体内具体的温度变化， 需 在梁体相应部位埋设传感器。 目前用来测量混凝土应变的应变计有电阻式应变计、 差动式应变计、 振弦式应变计以及光纤应变传感器等几种。 结合工程实际， 综合考虑各方面因素 ， 本工程选用湖南长沙 金码高科技实业有限公司生产的 J M Z X一 2 1 5 A T传感器， 此 传感器适合于长期监测 ， 在测量频率的同时， 内置的温度传 感器可以测读温度值 ， 通过所测温度值可以对所得应变进 行精确修正， 具有高稳定性、 高可靠性、 高精度、 防潮及绝缘 等优良性能。 考虑到箱梁的扭转和畸变影响的特点， 在各角点布置 传感器； 考虑到箱梁的剪力滞效应 ， 在各室顶底板中间布置 传感器 。根据以上原则， 测点布置如图3 、 图4所示。 引出导线 1 5 # 主墩 图3 纵断面测点布置 图4 横断面测点布置 ( 从右到左为水流方向 ) 2 4 数据采集及处理 随着外界环境 温度 的 变化 ， 混 凝土 内部 的 温度 也会 随 1 9 5个节点。墩梁固结采用刚臂连接， 上部结构采用 C 5 5混 凝土， 混 凝 土 热膨 胀 系数 为 0 0 0 0 0 1 ， 质 量 密 度 为 2 5 4 9 k g m ，弹性模量为 3 5 5 MP a ， 下部结构采用 C 5 0混凝 土， 混凝土热膨胀系数 d为 0 0 0 0 0 1 ， 质量密度为 2 5 4 9 k g T n 3 ， 弹性模量为 3 4 5 M P a ， 模型如图2所示。 图2 1 5 # 墩 “ T ”构mi d a s 模型 之发生变化， 但变化存在一定的滞后现象。在悬臂施工的 混凝土养生阶段， 短时间内收缩、 徐变的影响可以忽略， 施 工荷载基本恒定， 因此通过传感器测读所得应力值即为温 度应 力。 以已浇筑完成的 1 5 墩 2 块为基础进行分析， 经过一夜 的热传导， 早晨 8时梁体各部位的温度基本均衡， 设各 自8 时的温度及应力值均为0， 其余时刻的应力值均为相对于各 自8时的增量值， 压应力为正， 拉应力 为负， 如 图 5 、 图 6 所示 。 嘲 赠 皿 嚼 测试 时间 图6 观测时段相对8 时应力变化量 顶板 腹板 底板 顶板 腹板 底板 顶板受到阳光的照射 ， 随着环境温度的变化变化较大 ， 最大增量出现在 1 6时， 达到 1 0 3 ， 底板在一天中受到 阳 光的照射较少 ， 温度 变化幅度 相对 较小， 温度增量仅 为 3 3 C， 而腹板温度基本无变化。 通过对 比1 5 墩根部测读、 计算所得温度增量与应力变 化数据， 不难发现， 温度每升高 3 C， 应力大概增加 1 M P a 。 梁体混凝土弹性模量为 3 5 5 X 1 0 MP a ， 对于单位混凝土来 说 ， 温 度每 升 高 3 ， 理 论上 应 变为 3 X 1 0 一 ， 应 力 为 I 0 6 5 M P a ， 与所提出修正方法二者所得应力相差极小。应 8 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第 3期 ( 总第 1 7 7期 ) 用以上方法对 l 5 墩 2 块张拉后应力进行修正， 所得结果如 表 1 所示。 表 1 1 5 墩2 块预应力混凝土张拉后温度修正M P a l 5 墩2 块预应力混凝土张拉后实测值与理论值相差 2 0 5 MP a ， 修正后误差仅为 0 3 5 MP a ， 修正后应力误差明显 减小， 说明此方法用于应力修正是可行的。将 l 5 墩悬臂施 工过程应力数据汇总于表 2 。 以箱梁顶板为例， 绘制应力测试结果对比见图7 。 3 结语 ( 1 ) 通过对温度与应变的连续测读， 发现温度变化与 应变变化的对应关系， 提出了一种应力修正方法， 对施工监 控所得应力进行精确修正， 掌握悬臂施工过程中真实的应 力状态， 对桥梁后续施工具有一定参考意义。 表 2 l 5 墩根部应力理论值与修正值对比 M P a 0 重 - 4 一 s 一 1 2 施工块段 一 实测值一修正值一 一 理论值 图7 1 5 * 墩根部截面上缘应力变化图 ( 2 ) 温度每升高 3 C， 应力大概增加 1 M P a ， 根据此方 法所得应力修正值与计算所得理论值相比误差大大减小， 能够真实反应主梁的实际情况 ， 以便在发生状况前发出警 告 ， 并及时采取补救措施。 参考文献 1 李亚东 桥梁工程概论 M 成都： 西南 交通 大学 出版 社 ， 2 0 0 1 2 张继尧、 王昌将 悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥 M 北 京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 5 3 张浩 桥梁施工控制中的温度应力研究 J 公路建设与养 护 。 2 0 1 0 ， ( 7) 4 葛耀君 分段施工桥梁分析与控制( M 北京： 人民交通出版 杜 。 2 0 0 3 ： 1 1 01 2 0 5 陈秋平 浙江新昌沃西大桥箱梁悬臂施工技术 J 铁道建筑 技术 ， 2 0 0 6 ， ( 增刊 2 ) ： 3 6 3 9 6 湖南大学， 太原工业大学， 福州大学合编 建筑结 构试验 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 1 7 任志国悬臂施工阶段箱梁应力测试研究 J 山西焦煤科 技 ， 2 0 0 6 ， ( 5 ) 收稿 日期 2 0 1 2一l 1 2 2 作者简介】 王丕祥( 1 9 6 9 一) ， 男， 云南楚雄人 ， 副教授， 从事 大跨度桥梁结构设计理论与施工技术研究 。