預(yù)應(yīng)力連續(xù)寬箱梁頂板空間分析

練俊江 李鵬飛

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074）

1 空間模型

1.1 ANSYS建模

本文采用通用有限元軟件ANSYS模擬大橋。由于需要分析預(yù)應(yīng)力的空間效應(yīng)，將預(yù)應(yīng)力鋼束和混凝土單獨(dú)建立。本文建立剛構(gòu)橋的1#～12#梁段，長(zhǎng)度為41米，見圖1。

混凝土采用SOLID65單元。鋼束采用LINK8單元。對(duì)于預(yù)應(yīng)力加載采用初始應(yīng)變法，通過鋼束的收縮變形將預(yù)應(yīng)力加載到混凝土中。采用CEINTF命令對(duì)鋼束單元的節(jié)點(diǎn)和其周圍混凝土單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，將混凝土和鋼束連接起來。模型的邊界條件為一端固結(jié)，另一端自由。

1.2 計(jì)算參數(shù)

混凝土自重26.5KN/m3，彈性模量3.37×104Mpa，泊松比取0.1667。鋼絞線彈性模量采用1.95×105Mpa，鋼絞線密度采用78.5KN/m3，重量加速度取9.8m/s2。

圖1 梁段立面圖圖

2 箱梁預(yù)應(yīng)力空間效應(yīng)分析

2.1 工況

工況1：自重。工況2：自重+縱向預(yù)應(yīng)力。工況3：自重+縱向預(yù)應(yīng)力+橫向預(yù)應(yīng)力。工況4：橫向預(yù)應(yīng)力。工況5：自重+縱向預(yù)應(yīng)力+橫向預(yù)應(yīng)力+豎向預(yù)應(yīng)力。

2.2 頂板上緣應(yīng)力分析

圖2為箱梁頂板上的6個(gè)應(yīng)力點(diǎn)。分析截面A、B、C、D、E、F，6個(gè)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)工況下的應(yīng)力。

圖2 應(yīng)力點(diǎn)位置圖

2.3 頂板上緣應(yīng)力縱向變化（見圖1）

圖3 B點(diǎn)應(yīng)力縱向變化曲線

圖4 D點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖3為頂板上緣B點(diǎn)應(yīng)力隨橋縱向變化曲線，可以看出在恒載（自重）作用下受壓應(yīng)力不斷減小。工況2考慮了縱向預(yù)應(yīng)力，由于從1#梁段到12#梁段縱向預(yù)應(yīng)鋼束越來越少，頂板應(yīng)力變化很不均勻，在10#梁段～12#梁段發(fā)生明顯的剪力滯現(xiàn)象，局部地方的拉應(yīng)力甚至超過工況1。而工況3、工況4、工況5考慮了橫向預(yù)應(yīng)力，整個(gè)頂板上緣受壓，沒有明顯的剪力滯現(xiàn)象［2］。

圖4為頂板下緣D點(diǎn)應(yīng)力隨橋縱向變化曲線，可以看出工況3和工況5曲線幾乎重疊，說明豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)D點(diǎn)受力狀態(tài)影響不大。不考慮橫向預(yù)應(yīng)力作用情況下，底板下緣應(yīng)力隨著橋縱向減小，但是考慮頂板橫向預(yù)應(yīng)力作用，就會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。工況4只考慮頂板橫向預(yù)應(yīng)力，此時(shí)應(yīng)力變化趨勢(shì)與工況1、工況2截然相反，而工況3、工況5變化趨勢(shì)相對(duì)平緩。這說明，縱向預(yù)應(yīng)力可以使得翼緣板下端應(yīng)力優(yōu)化。截面3-3剪力滯效應(yīng)明顯，預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)其作用也較明顯。

3 截面3-3頂板應(yīng)力分析

圖5為3-3截面頂板橫向應(yīng)力分布。工況2在3-3截面剪力滯效應(yīng)明顯，局部拉應(yīng)力甚至超過工況1。而考慮頂板橫向預(yù)應(yīng)力情況，頂板上緣大部分受壓。其中工況3和工況4在腹板附近應(yīng)力分布有所差異，其他地方應(yīng)力分布基本一樣。工況4表面頂板橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)上緣受壓作用明顯，翼緣段和箱梁中心處受壓應(yīng)力最大，翼緣端尺寸較小，頂板橫向預(yù)應(yīng)力將整個(gè)頂板向上“翻起”的效果，在端部產(chǎn)生較大應(yīng)力集中［3］。

圖5 頂板橫向應(yīng)力分布

圖6 頂板下緣應(yīng)力分布

圖6為3-3截面頂板下緣應(yīng)力橫向分布情況。工況2只考慮縱向預(yù)應(yīng)力，由于材料泊松比翼緣板段處還是會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，只是彎曲應(yīng)力較小。工況3與工況5的曲線分布較相似，只是在頂板與腹板交界處應(yīng)力有明顯差異，這說明豎向預(yù)應(yīng)力只對(duì)腹板和頂板交接的局部區(qū)域有影響。由于頂板橫向預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生橫向彎矩，翼緣板下緣產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，工況3、工況5計(jì)算結(jié)果在1.35mpa左右。明顯在工況4中頂板下緣大部分受拉情況比其他工況更突出，在翼緣板端處應(yīng)力達(dá)到3.35mpa。腹板和頂板交界處受力情況復(fù)雜，由于腹板處剛度較大，翼緣板和箱內(nèi)兩側(cè)的應(yīng)力變化很大。翼緣板可以近似看成懸臂結(jié)構(gòu)，而頂板橫向預(yù)應(yīng)力將翼緣板往上拉，使得下緣受到較大的拉應(yīng)力，這樣很容易產(chǎn)生縱向裂縫。但是在箱內(nèi)靠近腹板處受到拉應(yīng)力，從12#梁段往1#梁段看，這個(gè)拉應(yīng)力沿著箱梁縱向不斷減小，靠近箱梁中心附近的拉應(yīng)力趨于穩(wěn)定。而從工況4可以看出，如果只考慮頂板橫向預(yù)應(yīng)力，整個(gè)頂板下緣基本上都是受拉，腹板對(duì)頂板的影響沒有這么明顯，橫向預(yù)應(yīng)力將頂板往上“翻”。綜合來看，頂板橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)頂板上緣進(jìn)行優(yōu)化，縱向預(yù)應(yīng)力對(duì)頂板下緣受力進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文通過ANSYS建立寬箱梁空間有限元模型，主要研究頂板空間受力狀況。計(jì)算分析各個(gè)工況得到下列結(jié)論：

4.1預(yù)應(yīng)力可以減弱箱梁頂板剪力滯現(xiàn)象。箱梁高度與頂板厚度比值越小的梁段，受預(yù)應(yīng)力作用越明顯。橫向預(yù)應(yīng)力能夠很好地優(yōu)化頂板上緣的受力狀況，使得應(yīng)力橫向分布趨于均勻。

4.2頂板橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)頂板產(chǎn)生橫向彎矩，翼緣板端部尺寸較小，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力。頂板主應(yīng)力基本上與橋的橫向方向相同，可以推斷頂板裂縫主要沿橋軸方向。

4.3縱向預(yù)應(yīng)力能夠減弱頂板下緣受拉情況，縱向和橫向預(yù)應(yīng)力共同作用使得頂板受力狀態(tài)得到優(yōu)化。豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)腹板影響較大，對(duì)腹板和頂板連接區(qū)域影響較大。

［1］李小紅，李青山，葉見曙.連續(xù)箱梁跨中合龍段箱梁頂板縱向裂縫分析研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2010（6）.

［2］黃鶴蒞.頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)箱梁橫向計(jì)算結(jié)果的影響［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007（9）.

［3］高丕勤，王小松.頂板橫向預(yù)應(yīng)力作用下寬箱梁空間效應(yīng)分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（6）.

［4］張啟亮.混凝土箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力框架效應(yīng)分析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）.