預應力混凝土箱梁結構數(shù)值模擬與施工控制

勾 煜

0 引言

預應力混凝土橋出現(xiàn)在20世紀30年代，50年代以來不斷取得巨大發(fā)展，主跨90 m，在中、小跨度范圍內(nèi)現(xiàn)已占絕對優(yōu)勢，在大跨度范圍內(nèi)它正在同鋼橋展開激烈競爭。現(xiàn)代預應力混凝土結構和技術是現(xiàn)代橋梁建設的重要結構和技術。不但應用于各種大、中、小跨度的橋梁，而且特大跨度橋也廣泛采用。梁式橋是使用最廣泛的預應力混凝土橋型，這種橋型建造架設方便，梁式橋有簡支梁、連續(xù)梁、T構及連續(xù)剛構等［1］。預應力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋具有整體性能好、結構剛度大、變形小、抗震性能好等優(yōu)點，并且設計施工較為成熟，施工質(zhì)量和施工進度能得到良好的控制，在成橋后養(yǎng)護工作量小，使得預應力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋在公路、城市和鐵路橋梁工程中得到廣泛采用。

岳陽河特大橋位于鄭州中南部，本線與既有溝海鐵路共通道。本線是鄭州專線與西安客運專線的聯(lián)絡線，線路全長89.422 km。

1 數(shù)值模擬內(nèi)容及方案

在預應力鋼筋混凝土箱梁的數(shù)值模擬中，預應力鋼絞線的模擬與鋼筋混凝土模型材料的選擇一直是模擬中的難點問題。本文根據(jù)梁場施工規(guī)范與結構設計原理對預應力混凝土連續(xù)箱梁進行施工研究，然后用ANSYS對上部結構以及預應力鋼絞線的受力進行模擬，分析提出預應力施加方法，作為理論設計的一個參考，并根據(jù)工程實際給出施工步驟，施工方案，并給出施工注意事項以及設計原則。結合有限元分析軟件，對上部結構模擬分析，這對今后實際中的預應力橋梁結構設計與分析有較為重要的指導意義。

鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結構模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型設計中，箱梁縱向長為64.0 m，橫向?qū)挒?2.0 m，梁上層厚度為33cm，梁下層厚度20cm。鋼絞線的直徑為15.20mm，強度級別為 1860 MPa，截面積 140mm2，理論重量1.101 kg/m，線膨脹系數(shù)為10，圖1為鋼筋混凝土連續(xù)梁裝配圖，圖2為模型圖。

圖1 鋼筋混凝土連續(xù)梁裝配圖

本文中討論的預應力均是指有粘結預應力，所以無論是先張法或后張法構件，預應力張拉完畢灌漿后，預應力筋和混凝土一般都建立了粘結，在正常使用荷載范圍內(nèi)無相對滑移，故在ANSYS軟件中可以用實體力筋法來建模，建模時具體有三種處理方法，即實體分割法、節(jié)點耦合法、約束方程法。本文采用節(jié)點耦合法進行分析。圖3為節(jié)點耦合法施加效果圖。

圖2 模型橫截面圖

圖3 節(jié)點耦合法效果圖

本文采用節(jié)點耦合法進行分析。節(jié)點耦合法的基本思路是分別建立實體和力筋的幾何模型，然后對幾何模型的實體進行各自的單元劃分，單元劃分后采用耦合節(jié)點自由度將力筋單元和實體單元聯(lián)系起來(見圖4)，這種方法是基于有限元模型的處理。優(yōu)點是建模比較簡單，采用APDL命令耦合節(jié)點自由度處理時也比較簡單;缺點是當混凝土單元劃分不夠密時，力筋節(jié)點位置可能有些走動，造成一定誤差，為消除該誤差，勢必將混凝土單元劃分得較密，即以犧牲計算效率獲得上述優(yōu)點，該方法是解決大量復雜力筋線型的有效方法。模型計算參數(shù)見表1。

圖4 節(jié)點耦合法截面網(wǎng)格劃分圖

表1 模型計算參數(shù)

鋼絞線應力分布見圖5～圖7。

圖5 90號鋼絞線應力分布圖

圖6 95號鋼絞線應力分布圖

圖7 103號鋼絞線應力分布圖

圖8 加載方式二的混凝土連續(xù)梁撓度圖

從圖8，圖9 ANSYS的分析結果可知，載后橋梁跨中產(chǎn)生向下的撓度，為0.368mm，最大拉應力為0.0831 MPa，最大應力為0.494 MPa，這里有限元計算值較理論計算偏大，主要原因是這里只考慮了箱梁內(nèi)部的受拉鋼筋，沒考慮構造鋼筋與箍筋對梁剛度的貢獻，所以計算值偏大，但均小于規(guī)范的限制值。由此可見，有限元軟件ANSYS可以用作為橋梁結構分析以及理論計算的一個理想工具，考慮到混凝土及鋼筋受環(huán)境、施工等因素影響，可以輔助安全設計配筋，所以最好的設計理念應該是以規(guī)范為主，輔助以相應的軟件分析結構的局部試驗研究，才能較為真實可靠反映強梁結構的受力形態(tài)與穩(wěn)定性，這對今后實際中的橋梁結構設計與分析有較為重要的指導意義。

圖9 加載方式三的混凝土連續(xù)梁撓度圖

2 結語

1)在有限元模型的選擇中，采用整體式作為鋼筋混凝土結構的有限元模型，將混凝土和力筋劃分為不同的單元一起考慮，而模擬預應力采用了降溫法或初應變法，即使在最大使用荷載的作用下，跨中梁底混凝土應變?nèi)匀粸樨撝?，由此可以看出，梁底未出現(xiàn)拉應力，所以本預應力梁為全預應力混凝土結構，安全性能較高;

2)本文所建立的預應力箱梁有限元模型較好的模擬了預應力混凝土梁在各加載方式下的軸力狀態(tài)，即使在最大面荷載作用下，跨中梁底部混凝土應變?nèi)詾樨撝?，梁底未出現(xiàn)拉應力，所以本預應力梁為全預應力混凝土結構，安全性能較高;

3)載后橋梁跨中產(chǎn)生向下的撓度，為0.348mm，最大拉應力為0.0831 MPa，最大應力為0.494 MPa，這里有限元計算值較理論計算偏大，原因是這里只考慮了梁的受拉鋼筋，沒考慮構造鋼筋與箍筋對梁強度剛度的貢獻，所以計算值偏大，但均小于規(guī)范的限制值。

［1］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］ 肖玉德，殷永高，何 敏.預應力混凝土橋梁收縮與徐變力學變化的數(shù)值模擬［J］.合肥工業(yè)大學學報，2003，26(1):104-107.

［3］ 王衛(wèi)鋒，劉春燕，范學明.預應力混凝土連續(xù)剛構橋?qū)崪y應變與應力的轉(zhuǎn)換［J］.鄭州大學學報(工學版)，2006，27(1):36-39.

［4］ 張治成，葉貴如，陳衡治，等.大跨度橋梁施工控制結構分析計算方法［J］.浙江大學學報(工學版)，2004，38(2):210-214.

［5］ 樓莊鴻.大跨徑梁式橋的主要病害［J］.公路交通科技，2006，23(4):84-87.

［6］ Durney，T.E.Fine coal flotation using the flotaire column flotation cell［J］.Society of Mining Engineers of AIME，1990(4):55-59.