预应力混凝土箱梁结构数值模拟与施工控制

勾 煜

0 引言

预应力混凝土桥出现在20世纪30年代，50年代以来不断取得巨大发展，主跨90 m，在中、小跨度范围内现已占绝对优势，在大跨度范围内它正在同钢桥展开激烈竞争。现代预应力混凝土结构和技术是现代桥梁建设的重要结构和技术。不但应用于各种大、中、小跨度的桥梁，而且特大跨度桥也广泛采用。梁式桥是使用最广泛的预应力混凝土桥型，这种桥型建造架设方便，梁式桥有简支梁、连续梁、T构及连续刚构等［1］。预应力钢筋混凝土连续梁桥具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好等优点，并且设计施工较为成熟，施工质量和施工进度能得到良好的控制，在成桥后养护工作量小，使得预应力钢筋混凝土连续梁桥在公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。

岳阳河特大桥位于郑州中南部，本线与既有沟海铁路共通道。本线是郑州专线与西安客运专线的联络线，线路全长89.422 km。

1 数值模拟内容及方案

在预应力钢筋混凝土箱梁的数值模拟中，预应力钢绞线的模拟与钢筋混凝土模型材料的选择一直是模拟中的难点问题。本文根据梁场施工规范与结构设计原理对预应力混凝土连续箱梁进行施工研究，然后用ANSYS对上部结构以及预应力钢绞线的受力进行模拟，分析提出预应力施加方法，作为理论设计的一个参考，并根据工程实际给出施工步骤，施工方案，并给出施工注意事项以及设计原则。结合有限元分析软件，对上部结构模拟分析，这对今后实际中的预应力桥梁结构设计与分析有较为重要的指导意义。

钢筋混凝土连续箱梁结构模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型设计中，箱梁纵向长为64.0 m，横向宽为12.0 m，梁上层厚度为33cm，梁下层厚度20cm。钢绞线的直径为15.20mm，强度级别为 1860 MPa，截面积 140mm2，理论重量1.101 kg/m，线膨胀系数为10，图1为钢筋混凝土连续梁装配图，图2为模型图。

图1 钢筋混凝土连续梁装配图

本文中讨论的预应力均是指有粘结预应力，所以无论是先张法或后张法构件，预应力张拉完毕灌浆后，预应力筋和混凝土一般都建立了粘结，在正常使用荷载范围内无相对滑移，故在ANSYS软件中可以用实体力筋法来建模，建模时具体有三种处理方法，即实体分割法、节点耦合法、约束方程法。本文采用节点耦合法进行分析。图3为节点耦合法施加效果图。

图2 模型横截面图

图3 节点耦合法效果图

本文采用节点耦合法进行分析。节点耦合法的基本思路是分别建立实体和力筋的几何模型，然后对几何模型的实体进行各自的单元划分，单元划分后采用耦合节点自由度将力筋单元和实体单元联系起来(见图4)，这种方法是基于有限元模型的处理。优点是建模比较简单，采用APDL命令耦合节点自由度处理时也比较简单;缺点是当混凝土单元划分不够密时，力筋节点位置可能有些走动，造成一定误差，为消除该误差，势必将混凝土单元划分得较密，即以牺牲计算效率获得上述优点，该方法是解决大量复杂力筋线型的有效方法。模型计算参数见表1。

图4 节点耦合法截面网格划分图

表1 模型计算参数

钢绞线应力分布见图5～图7。

图5 90号钢绞线应力分布图

图6 95号钢绞线应力分布图

图7 103号钢绞线应力分布图

图8 加载方式二的混凝土连续梁挠度图

从图8，图9 ANSYS的分析结果可知，载后桥梁跨中产生向下的挠度，为0.368mm，最大拉应力为0.0831 MPa，最大应力为0.494 MPa，这里有限元计算值较理论计算偏大，主要原因是这里只考虑了箱梁内部的受拉钢筋，没考虑构造钢筋与箍筋对梁刚度的贡献，所以计算值偏大，但均小于规范的限制值。由此可见，有限元软件ANSYS可以用作为桥梁结构分析以及理论计算的一个理想工具，考虑到混凝土及钢筋受环境、施工等因素影响，可以辅助安全设计配筋，所以最好的设计理念应该是以规范为主，辅助以相应的软件分析结构的局部试验研究，才能较为真实可靠反映强梁结构的受力形态与稳定性，这对今后实际中的桥梁结构设计与分析有较为重要的指导意义。

图9 加载方式三的混凝土连续梁挠度图

2 结语

1)在有限元模型的选择中，采用整体式作为钢筋混凝土结构的有限元模型，将混凝土和力筋划分为不同的单元一起考虑，而模拟预应力采用了降温法或初应变法，即使在最大使用荷载的作用下，跨中梁底混凝土应变仍然为负值，由此可以看出，梁底未出现拉应力，所以本预应力梁为全预应力混凝土结构，安全性能较高;

2)本文所建立的预应力箱梁有限元模型较好的模拟了预应力混凝土梁在各加载方式下的轴力状态，即使在最大面荷载作用下，跨中梁底部混凝土应变仍为负值，梁底未出现拉应力，所以本预应力梁为全预应力混凝土结构，安全性能较高;

3)载后桥梁跨中产生向下的挠度，为0.348mm，最大拉应力为0.0831 MPa，最大应力为0.494 MPa，这里有限元计算值较理论计算偏大，原因是这里只考虑了梁的受拉钢筋，没考虑构造钢筋与箍筋对梁强度刚度的贡献，所以计算值偏大，但均小于规范的限制值。

［1］ 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社，1998.

［2］ 肖玉德，殷永高，何 敏.预应力混凝土桥梁收缩与徐变力学变化的数值模拟［J］.合肥工业大学学报，2003，26(1):104-107.

［3］ 王卫锋，刘春燕，范学明.预应力混凝土连续刚构桥实测应变与应力的转换［J］.郑州大学学报(工学版)，2006，27(1):36-39.

［4］ 张治成，叶贵如，陈衡治，等.大跨度桥梁施工控制结构分析计算方法［J］.浙江大学学报(工学版)，2004，38(2):210-214.

［5］ 楼庄鸿.大跨径梁式桥的主要病害［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.