预应力混凝土箱梁整桥力学特性分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 3年第 4期 ( 总第 1 7 8期 ) 预应 力混凝土箱梁整桥 力学特性分析 骆根水 ， 张晓峰 ， 王志 ， 张景飞 ( 1 中国人民武装警察部队水 电第五支 队， 江苏常州2 1 3 0 3 1； 2 郑州大学 力学与T程科学学院 ， 郑州4 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】 基于大型非线性有限元软件 M S C M A R C ， 建立整桥预应力箱梁三维非线性有限元模型， 其中混凝 土采用六面体单元， 钢筋采用 t r u s s 杆单元， 预应力通过钢筋单元的初始应力输入施加。模拟分析了整桥在各种汽 车工况荷载作用下的结构力学特性， 结果表明： 对称的车辆荷载作用下 ， 跨中截面最大主应力较小， 偏载的车辆荷 载作用下， 跨中截面最大主应力较大， 各种工况下最大主应力均小于混凝土抗拉强度， 混凝土不会开裂， 满足规范 要 求。 【 关键词】 预应力混凝土箱梁； 整桥； 实体单元 【 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 4 0 0 6 8 0 3 预应力混凝土箱梁具有稳定性好、 外形美观等优 点， 在现代结构设计中得到广泛应用， 已被用于大跨 度刚构桥 、 城市高架桥以及军用桥梁中 z 。随着电 子计算机的发展 ， 有限元等现代数值分析方法在工程 分析中得到了越来越广泛的应用。同样在钢筋混凝 土结构分析中也显示出这一方法的强大生命力。 商用有限元程序在土木工程领域的混凝土和预 应力混凝土工程中的应用非常普遍， 主要的商业软件 有 A N S Y S ， M A R C， A B A Q U S等。R a b c z u k等 采用有 限单元法研究了静力荷载作用下的预应力混凝土梁， 混凝土用实体单元进行模拟， 钢筋则采用梁单元 ， 计 算模拟的结果与试验数据之间吻合较好。文献 4 对 预应力简支矩形梁进行 了有 限元分析 ， 总结 出了利用 A N S Y S 分析预应力混凝土结构时的建模技巧以及预 应力施加方法， 并将计算结果与理论计算值进行了比 较， 但仅限于线弹性阶段的分析， 文献 5 利用 A N S Y S 程序对预应力混凝土简支箱梁进行数值模拟， 对该梁 的安全性能进行评价。文献 6 基于大型有限元程序 A B A Q U S ， 在考虑三 向预应力 的情况下 ， 采用三维 实体 单元箱梁整体空间分析模型， 对箱梁进行了整体应力 分析， 并与采用空间梁单元的计算结果进行了分析对 比。其他 利 用 A N S Y S进 行桥 梁 非线 性分 析 的还 有 。在非线性有限元软件领域， M A R C一直受到业 界的关注， 被公认为较好 的非线性软件之一 ， 得到 广泛的应用。 本文基于大型非线性有限元软件 M S C MA R C建 立预应力混凝土箱梁整桥实体模型， 通过不同汽车荷 载工况下的结构力学性能分析， 对整桥的承载力状态 进行评估 。 1 工程背景 该桥全长为 7 5 m， 公路桥桥面总宽 1 3 5 m， 荷载等 级为公路- I 级 ； 人行桥桥面 总宽 3 1 m， 荷载等级 为人 群荷载。上部采用装配式预应力混凝土箱梁结构， 如 图 l 所示， 中跨跨径3 5 m箱梁， 梁高为 1 8 m； 边跨跨径 2 0 m， 梁高 1 2 m。公路桥横向布置两根中梁及两根边 梁， 梁间距 3 4 m， 横 向两根箱梁之间采用 l m宽湿接 缝形成刚性连接。人行桥横向布置 1 根边梁。箱梁顶 面均铺 0 1 0 m厚 的 防水混凝 土和 0 0 7 m厚 的沥青 混 4结语 主梁高跨 比对主梁在地震作用下的位移， 内力有 较大影响， 主塔高跨比和拉索间距对主塔位移， 内力 影响较大。选择合理的设计参数， 对结构桥梁结构抗 震设计有着重要影响。 本文研究仅采用三个控制参数进行分析 ， 其它设 计参数有待进一步考虑 ； 仅考虑一致地震激励下结构 的响应 ， 对多点激励及行波效应等影响有待深入研究。 参考文献 1 陈宝 存， 黄卿维 波形钢腹 板 P c箱 梁桥应用 综述 J 公 路， 2 0 0 5 ， 7 ( 7 ) 2 陈宝春， 黄玲， 吴庆雄 波形钢腹板部分斜拉桥 J 世界桥梁， 2 0 0 4， 2 7 ( 3 ) 3 删 一8 9 ， 公路工程抗震设计规范 S 4 脚 一 0 8 ， 公路桥梁抗震设计细则 S ( 5 】 王景全， 陈志涛， 张建东 波形钢腹板组合粱矮塔斜拉桥力学 特性及热点问题研究【 c 第十九届全国桥梁会议论文集 ( 上) 上海： 人民交通出版社， 2 0 1 0 【 收稿日期】 2 0 1 2一 l 2 1 7 【 作者简介】 王俊杰( 1 9 8 8 一) ， 男， 河北沧州人， 硕士研究生， 研究方 向： 桥梁与隧道工程 。 骆根水等： 预应力混凝土箱梁整桥力学特性分析 凝土， 桥面横向设 2 的双向坡 ， 箱梁为 A类预应力混 凝土构件设计。 图1 某公路桥立面图 2 计算方案 ( 1 ) 计算模型。以 J T G D 6 0 - 2 0 0 4 ( 公路桥涵设 计通用规范 和 J T G D 6 2 - 2 0 0 4 ( 公路钢筋混凝土和预 应力混凝土设计通用规范 等规范作为依据， 利用三 维有限元模型分析桥梁在成桥后 的工作状态。根据 设计资料， 该公路桥的车行桥部分共 由4片 2 0 m预应 力箱梁组成， 路面宽 1 3 5 m， 每两片箱梁之间采用现浇 混凝土连接， 具体截面形式如图 2 所示， 选 C 5 0混凝土， 弹性 模 量 为 3 4 5 G P a ， 泊 松 比取 为 0 2 3 ， 密 度 为 2 5 0 0 k g m ， 钢筋选 H R B 3 3 5级， 弹性模量为 2 0 0 G P a ， 泊松比取 0 3 ， 密度为 7 8 0 0 k g m ， 预应力钢束规格为 4q b 。1 5 2 ， 抗拉强度标准值为 1 8 6 0 M P a ， 弹性模量取 1 9 5 G P a ， 泊松比取 0 3 ， 密度取 7 8 0 0 k g m 。 根据设计资料建立三维实体有限元模型， 其中汽 车只根据轴距以及接地面积建立轮胎简化模型， 轴重 作用在轮胎上 ， 轮胎 与桥面设 为接触， 摩擦 系数 为 0 3 ， 简化的轮胎采用六面体单元， 如图 3所示， 其 中 桥梁混凝土采用六面体单元， 共计 2 1 9 6 0个单元 ， 钢筋 采用 t r u s s 杆单元 ， 共计个 3 7 4 1 9单元， 预应力钢绞线 采用 t rus s 杆单元， 共计9 6 0个单元。 图2 公路桥成桥简化截面 一 一 ( a ) 单一箱粱混凝土截面网络划分 单一箱粱钢筋骨架单元网络划分 ( c ) 整体 网格划分 图3 有限元网格划分 ( 2 ) 荷载工况： 为了模拟公路桥在实际运营过 程中的结构特性， 选用汽 一2 0主车进行模拟加载， 主 要研究 5种工况下结构 的特性 ， 如图 4所示 。工况 1 ： 单辆汽 一 2 0由中线从一端出发驶向另一端； 工况 2 ： 单 辆汽 一2 0由偏离 中心线 较 远处从 一 端 出发驶 向另一 端； 工况 3 ： 两辆汽 一 2 0对称地由偏离中心线较远处从 一 端 出发驶 向另一端 ； 工况 4： 两辆汽 一2 0并排对称地 中心线 出发从一端驶 向另一端 ； 工况 5 ： 两辆汽 一 2 0分 别从图示位置相向而行驶向对面。 3 计算结果与分析 对称的车辆分布在跨中截面产生的应力较小( 工 况 1 、 工况 3 、 工况 4 ) ， 偏载的车辆分布( 工况 2 、 工况 5 ) 在跨中截面产生的应力较大 ， 而且最大主应力出现 在现浇板连接处 ， 属于危险截面。在以上 5种工况下， 控制截面的最大主应力均小于混凝土的抗拉强度， 因 此整个 梁身不会开裂 。 为从整体上了解应力分布情况， 以工况 5为例列 出了整体应力分布图， 如图 5 、 图 6所示 ， 最大主应力 出现在端部截面， 这是由于预应力钢筋的锚固区应力 集中， 当两车辆行驶在靠近支座两端时， 在预制梁 中 间连接处 的现 浇混凝 土板 ( 三 处 ) 出现 较 大的 主应 力 ( B ) 工况1 ( b ) 工况2 ( c ) 工况3 ( d ) 工况4 ( e ) 工况5 图4 加载工况 ( 图 5 a ) ， 当两车辆行驶在跨中截面附近时， 最大主应 力 出现在 中梁与边梁 的连 接现浇混凝 土板位 置 ， 中梁 与中梁连接处现浇混凝土板主应力有所减少。 图6为全梁挠度分布图， 可见， 当工况5的两车辆 行驶在跨 中截面附近时， 整个桥梁大部分挠度均为 正， 表明梁向上拱起， 最大挠度为 8 5 5 6 m m， 最大挠度 出现在断面 中心处。