预应力砼箱梁桥有限元分析

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预应力砼箱梁桥有限元分析

彭正华

(常德市公路工程总公司,湖南常德　415000)

摘　要:以某预应力砼箱梁桥为例,探讨了利用通用有限元软件进行三向预应力砼箱梁桥分析的具体步骤与方法,通过试验验证了方法的有效性,并提出了一些结论和建议。

关键词:桥梁;箱梁;三向预应力;有限元

中图分类号:U448.21　　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　文章编号:1671-2668(2008)01-0097-03

　　预应力砼箱梁具有稳定性好、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。随着高强度材料的应用,桥梁跨径不断增大。砼箱梁是一种典型的空间受力结构,但目前箱梁桥结构设计中缺乏简便有效的空间分析方法。在某些情况下,应用基于平面杆系体系的简化计算获得的结果会与实际的结构受力有较大差别。有限元为解决预应力箱梁的空间分析提供了有力工具,但由于预应力箱梁桥的结构复杂,用三维块体有限元分析预应力箱梁仍然不容易,国内还没有一种成熟的专业三维有限元分析软件供工程使用。本文利用通用有限元软件ANSYS对某三向预应力砼箱梁的部分节段进行三维有限元仿真分析,探讨使用通用分析软件进行三向预应力箱梁空间分析的具体方法。

点后,通过在桥纵向复制并平移节点坐标获得不同断面对应的关键点。通过连接两断面间的对应关键点建立实体。划分单元网格时,在形状均匀的区域采用均匀的六面体网格,以尽可能减少单元数、降低计算量;在几何突变的过渡区域(如倒角的尺寸变化段等),采用四面体填充满足形状剧烈变化的要求。箱梁的纵向有限元模型如图1所示。

图1　箱梁有限元模型

1　预应力箱梁的三维有限元建模

某三向预应力砼连续刚构箱梁桥为单箱单室,

直腹板,梁高3.5～10m,按1.8次方抛物线变化。箱梁顶板宽19.2m,底板宽11.5m,腹板厚1.0～0.5m。双薄壁墩柱,两薄壁墩柱外侧间距10m,壁厚2.5m,墩宽11.3m,钻孔灌注桩基础。箱梁上施加三向预应力,其中纵向和横向采用低松弛钢绞线,纵向两端张拉,横向交错一端张拉,竖向采用<32高强精轧螺纹粗钢筋,梁顶一端张拉。主梁采用C55砼,主墩采用C50砼。1.1　箱梁的实体建模采用ANSYS的Civil模块对预应力砼箱梁桥进行模拟,采用ANSYS具有20节点的实体单元Solid95建模,以较为精确地模拟箱梁的倒角与横隔板等细节。由于箱梁的腹板、顶板和底板厚度沿桥纵向变化有一定规律,故可建立一个断面所有关键

1.2　预应力的处理

预应力的处理是三维分析的难点,其模拟的准确与否是此类结构分析成功的关键。考虑到建模便利性和与实际受力情况的吻合性,预应力处理的具体实施步骤为:

1)几何建模。根据设计图提供的导线点和平、竖弯半径信息建立预应力束的空间导线点,为使预应力损失计算准确一些,可适当在导线点间加一些中间点,即将线束多分一些段,按预应力束的走向依次连接空间点,得到完整的预应力束。对平弯和竖弯区段,可根据其半径使用ANSYS的线倒角命令LFILT来过渡。完成几何建模后,根据钢绞线和精轧钢筋的几何尺寸及材料特征,使用ANSYS的空间杆元Link8进行单元划分。

2)预应力钢束单元与砼单元的连接。选择预应力束节点,用约束方程命令自动选择在预应力束

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第1期　

2008年1月

节点容差范围内的数个砼单元节点建立约束方程。通过多组约束方程,将预应力束单元和砼单元连接为整体。

3)估计预应力损失。完成预应力束建模后,开始计算预应力损失。后张预应力损失主要有摩擦损失、锚具变形损失、钢丝松弛损失、砼弹性压缩损失和砼收缩徐变损失5种。具体可依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算完成。计算时要注意预应力束的张拉方式不同对预应力损失的影响,每段预应力线束的摩擦损失和锚具变形损失取长度方向的平均值。

4)施加预应力。将计算的预应力损失转化为温度差,利用施加线温度荷载的命令BFL,逐段施加不同的温度差来模拟预应力钢束的预应力损失。1.3　其他细节问题的处理

除了以上主要问题,预应力箱梁的计算还涉及一些其他需注意的细节:

1)材料的非线性问题。当砼压应力低于抗压强度的30%时,其弹性模量基本没有降低,但荷载进一步提升后,若希望计算更精确,可以使用多线性的材料本构关系来模拟砼材料的非线性。2)施工阶段预应力孔道引起的截面损失问题。在施工节段,预应力管道在灌浆前均会对截面的面积和惯性矩造成损失,从而影响应力的数值。采用三维单元模拟这些孔道,建模和计算都困难,开销难以接受,另外,计算表明这种误差约8%,故对于这个误差本文没有考虑。

3)施工顺序的模拟问题。预应力箱梁桥大部分采用悬臂施工,涉及到箱梁不同节段砼材料的收缩徐变。利用ANSYS的单元生死功能,依据施工顺序划分计算工况可方便地实现这一模拟。

维计算结果及平面计算结果进行对比验证,结果见图3～4。其中平面计算结果用国产软件桥梁博士完成。箱梁的应力云图如图5所示。

图3　顶板正应力实测值与计算值

图4　底板正应力实测值与计算值

2　试验验证与结果分析

为研究预应力砼箱梁桥的空间应力状态,验证

建模方法的有效性,本文对某三向预应力砼箱梁桥梁根部断面进行试验。考虑对称性,梁根断面的纵向应变传感器仅在一侧布置(见图2)。

图5　箱梁的应力云图(单位:MPa)

比较表明,顶、底板总的应力分布趋势,三维计

算值与实测值较吻合。具体的数值方面,在顶板翼缘区域,三维计算值与实测值的误差较小,但进入顶板箱内区域以后,误差陡然变大,实测值较计算值增大许多。产生原因:

1)实测值不是在箱梁温度均匀的时候采集,三维有限元的计算结果没有计算温度梯度荷载,导致实测受压和受拉应力较大。

2)由于计算结果没有考虑顶应力预留孔道对截面的削弱,故其应力值偏小。

3)顶板中是顶板束的锚固区域,应变计与顶板

图2　梁根断面纵向应变传感器的布置

张拉纵向预应力后,对梁根断面的实测结果、三

　总第124期　　　　　　　Highways&AutomotiveApplications　　　　　　　　　　99预应力筋相邻,受局部变形的影响大。

4)实测数据采用的是含温度影响的综合应变。受剪力滞效应的影响,悬臂梁根部的正应力分布不均匀,在集中荷载和均布荷载的作用下呈现“正剪力滞”效应,即腹板处正应力最大,翼缘和板中应力较低的双峰波浪形。图3和图4中,三维分析结果与平面分析结果表明,平面分析不能体现正应力在顶板中部和底板腹板处沿梁断面横向的这种起伏变化。当前的平面分析一般只能较好地考虑纵向预应力的作用,三向预应力间的相互影响则无法分析。本文对只考虑纵向预应力工况下的三维计算结果与三向预应力下的计算结果的比较表明,三向预应力间是相互影响的,就其对梁根正应力的影响而言,只考虑纵向预应力的作用将低估正应力,这与一般认为横向预应力对纵向预应力的卸载作用不同。从机理上理解,多轴受压的状态下,单方向的变形受到制约,由结构该方向上弹性压缩导致的预应力损失会相对较小,并且这种弹性压缩导致的损失比横向预应力对纵向预应力的卸载损失大,导致在三向预应力作用下纵向有效预应力较只有纵向预应力下的有效预应力高,单向预应力下的正应力较三向预应力下的正应力小。总之,三向预应力作用的相互影响较复杂,其规律有待深入研究。

由正应力计算结果还可看出,纵向预应力的存在完全改变了正应力的分布。顶板中部由于有强大的预应力直接通过和锚固,腹板处的应力尖峰与预应力造成的应力变化相比显得太小,正应力由理论上的两边高中间低的双峰波浪变为中间高两边低的中峰形态,而底板距离直接通过预应力束的地方较远,正应力的分布形态没有影响。故可认为预应力的布置与大小直接影响应力分布的形态和大小,这种结果可理解为自重效应和预应力效应的叠加。另外,从顶板的横向应力分布来看,由于端横隔板的影响,横隔板间的中心区域出现内凹四边形受拉区,说明横隔板对横向预应力的传递存在影响。

从顶板正应力的分布可明显看到纵向预应力由锚固区呈近45°角扩展到全断面的情况,在锚固区存在应力集中的现象。

这些结果表明,三维分析比平面分析能更全面地反映箱梁的受力情况和平面分析无法了解的细节,在设计中对预应力箱梁进行三维分析是必要的。

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3　结　语

本文对利用通用有限元程序三维仿真分析三向

预应力砼箱梁的方法和步骤做了详细介绍,并应用此方法对某三向预应力砼箱梁桥部分节段进行了分析,综合分析结果,可以认为:

1)本文的建模方法是有效的,适用于预应力箱梁三维分析。

2)对预应力箱梁进行三维分析是必要和可行的,寻找工程适用的三维与平面分析方法的结合点,仍然有大量的工作要做。3)预应力的布置与大小直接影响应力分布形态和大小,三向预应力作用之间的相互影响有待深入研究。参考文献:

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