曲線梁橋預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)分析

咼于平+王天雄+朱曉琳+黎建華+劉杰

摘要：結(jié)合武漢市長豐大道工程快速路高架中的L14聯(lián)38+70+38m的大跨度曲線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，采用三維實體單元法研究預(yù)應(yīng)力作用下曲線梁橋的空間應(yīng)力及位移變化情況。對曲線梁橋有限元分析中預(yù)應(yīng)力鋼筋處理方法進行了探討，選擇實體力筋法中的兩種耦合方法進行數(shù)值分析對比。研究發(fā)現(xiàn)采用預(yù)應(yīng)力鋼束節(jié)點與混凝土單元耦合的方法能較好地模擬預(yù)應(yīng)力與混凝土之間的關(guān)系，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，對于梁體局部分析更為直觀。同時，研究過程中對曲線梁體關(guān)鍵截面預(yù)埋測點進行了應(yīng)力實測，根據(jù)計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)分析相關(guān)規(guī)律，為曲線梁橋的理論研究提供參考。

關(guān)鍵詞：曲線梁橋預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)分析實體力筋法耦合

曲線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋能很好地克服地形、地物的限制，適應(yīng)高等級公路、城市立體交叉工程復(fù)雜的線形需要，且造型美觀，線條流暢，已成為現(xiàn)代交通工程中的一種重要橋型。然而，此類橋梁軸向變形、平面內(nèi)彎曲、豎向撓曲與扭轉(zhuǎn)同時存在，在預(yù)應(yīng)力作用下受力性能較為復(fù)雜，極易造成混凝土開裂、梁體滑移及側(cè)翻等不良工程事故，其設(shè)計和施工難度較大。長久以來，我國科技工作者針對曲線梁橋的理論研究做出了重要的貢獻，但其工程實際應(yīng)用中仍存在著許多問題。

本文結(jié)合武漢市長豐大道工程快速路高架中的L14聯(lián)38+ 70+38m的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，選取三維實體單元法，運用ANSYS對預(yù)應(yīng)力作用下曲線梁橋的空間應(yīng)力及位移變化情況進行理論分析。根據(jù)計算結(jié)果與實測應(yīng)力數(shù)據(jù)分析相關(guān)規(guī)律，以期為今后曲線梁橋施工提供技術(shù)支持。

工程背景

長豐大道（二環(huán)線～三環(huán)線）工程中的L14聯(lián)為變梁高、26m橋?qū)掝A(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，本箱梁孔跨布置為（38+70+38）m，橋?qū)?6.0m，位于R=600m的圓曲線上，橋面為橫坡人字形1.5%，箱梁頂?shù)酌嫫叫型拢淞嚎v坡度為3.8%。箱梁高采用2.0m～4.0m，高跨比為1/35～1/17.5，采用單箱3室斜腹板截面。箱梁頂寬26m，底寬15.62m～17m，箱梁翼緣板挑臂長4.0m。箱梁在中、邊支點處均設(shè)置橫梁，橫梁處橫橋向支座中心距為6.0m。箱梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力束由腹板束、頂板束及底板束組成。其中腹板束采用19φs15.2高強度鋼絞線，頂、底板束采用12φs15.2、9φs15.2高強度鋼絞線，橫向預(yù)應(yīng)力采用3φs15.2，群錨體系。

預(yù)應(yīng)力鋼束模擬處理方法

目前ANSYS對于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的研究主要分為兩類：即分離式和整體式，分離式即是將預(yù)應(yīng)力鋼筋從混凝土中脫離，以荷載的形式取代預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，如常用的等效荷載法；而整體式則是將混凝土和力筋劃分為不同的單元一起考慮，如體分割法、實體力筋法。

整體式方法中亦存在兩種力筋的處理方法，一是體分割法，二是獨立建模耦合法。體分割法即用工作平面和力筋線拖拉形成面，將混凝土實體體積進行分割，將分割后體上的一條線定義為力筋線。依次不斷分割完成鋼筋定位，此建模方法鋼筋布置準確，結(jié)果精準，但建模繁瑣，不適用于大量預(yù)應(yīng)力鋼筋模型。而獨立建模耦合法的思路是分別建立混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋的幾何模型，分別劃分單元，然后利用耦合方程將力筋單元與實體單元進行耦合，對鋼筋預(yù)應(yīng)力的模擬采用初始應(yīng)力法或降溫法，適用于更為復(fù)雜的實體模型。

為對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中受力復(fù)雜的地區(qū)進行局部分析，結(jié)構(gòu)研究方法采取整體式研究。考慮到曲線連續(xù)梁橋的空間復(fù)雜性以及預(yù)應(yīng)力鋼筋的線性復(fù)雜度，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土分析采取獨立建模耦合法，對預(yù)應(yīng)力鋼筋以及混凝土連續(xù)箱梁橋分別建立幾何模型，劃分單元并耦合，運用降溫法模擬預(yù)應(yīng)力施加，進行求解計算。分別研究預(yù)應(yīng)力鋼筋單元節(jié)點與混凝土單元節(jié)點耦合、預(yù)應(yīng)力鋼筋單元節(jié)點與混凝土單元耦合兩種耦合形式，對比分析預(yù)應(yīng)力作用下曲線梁橋的空間受力特性。

實體建模

1、彎梁橋?qū)嶓w建模

通過對箱梁進行空間分析可知，L14聯(lián)箱梁為變截面梁，且位于R=600m的圓曲線上，橋梁表面亦存在橫坡與縱坡，連續(xù)箱梁為非對稱結(jié)構(gòu)，幾何模型過于復(fù)雜，基于ANSYS前處理模塊進行建模工作量龐大，且操作不便，故通過CAD進行幾何模型建立再導(dǎo)入ANSYS進行數(shù)值計算。

2、預(yù)應(yīng)力鋼筋建模

預(yù)應(yīng)力鋼筋為空間三維曲線，且鋼筋種類數(shù)量繁多，通過AN？ SYS建模亦存在操作不便，建模工作量大，故同樣采用CAD進行預(yù)應(yīng)力鋼筋建模，再通過DXF to ANSYS軟件將三維曲線導(dǎo)入ANSYS。

運用CAD進行縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋建模，腹板預(yù)應(yīng)力鋼筋共計20束，中腹板鋼筋垂直分布，邊腹板預(yù)應(yīng)力鋼筋與邊腹板平行；頂板預(yù)應(yīng)力鋼筋共108束，與橋面橫坡平行；底板預(yù)應(yīng)力鋼筋共72束；橫隔梁鋼筋中邊橫梁預(yù)應(yīng)力鋼筋10束，中橫梁預(yù)應(yīng)力鋼筋22束；橋梁橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋292束；預(yù)應(yīng)力鋼筋合計524束。由于預(yù)應(yīng)力混凝土模型采用降溫法進行數(shù)值分析，故錨固端尺寸等細節(jié)不作考慮。

3、網(wǎng)格劃分尺寸

ANSYS有限元網(wǎng)格劃分是進行模型數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格的大小直接影響著后續(xù)數(shù)值分析結(jié)果的精確性。項目研究時采用SOLID65單元模擬鋼筋混凝土材料，LINK180單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋進行布置，分別采用1m、0.5m、0.4m、0.3m、0.25m、0.2m的尺寸劃分網(wǎng)格，通過分析位移計算結(jié)果的收斂性，在兼容計算精度與計算速度的情況下，最終確定以0.25m為網(wǎng)格最終劃分尺寸，進行之后的預(yù)應(yīng)力混凝土模型數(shù)值分析。

預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)分析

1、預(yù)應(yīng)力作用

對模型支座處施加約束條件。預(yù)應(yīng)力筋張拉模擬采用降溫法模擬，根據(jù)計算對link180單元施加溫度荷載-500℃。兩種耦合方式的位移云圖、應(yīng)力云圖計算結(jié)果如下圖1-4。

由兩種耦合方式的位移云圖及應(yīng)力云圖可知，力筋節(jié)點與混凝土單元耦合計算結(jié)果較力筋節(jié)點與混凝土節(jié)點耦合計算結(jié)果更大，但梁體各處位移及應(yīng)力分布基本趨勢一致。力筋節(jié)點與混凝土節(jié)點耦合時存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，除去應(yīng)力集中部分，通過兩組數(shù)據(jù)可看出曲梁梁體跨中截面下邊緣為應(yīng)力值最大處。

2、自重與預(yù)應(yīng)力作用工況組合

對模型施加自重，計算自重作用下曲線梁橋的位移及受力情況，并與預(yù)應(yīng)力作用下計算結(jié)果進行工況組合。

為方便數(shù)據(jù)對比分析，選取中跨跨中截面為參照，從截面上緣選擇3個節(jié)點，下緣選擇3個節(jié)點，兩側(cè)翼緣板下方各取2個節(jié)點，共計10個節(jié)點進行數(shù)值分析，對比兩種耦合方式在自重及預(yù)應(yīng)力作用工況組合的位移及應(yīng)力情況，截面選點示意圖如圖5。截面節(jié)點位移值及應(yīng)力值數(shù)據(jù)表如下表1。

由以上兩種耦合方式在自重及預(yù)應(yīng)力組合工況下的中跨跨中位移及應(yīng)力表可得出以下結(jié)論：①兩種耦合方式計算結(jié)果趨勢一致，力筋節(jié)點與混凝土單元耦合在位移及應(yīng)力大小上相對結(jié)果更大；②從位移結(jié)果上看，在預(yù)應(yīng)力及自重的作用組合下，曲線箱梁整體位移值較小，跨中有一定預(yù)拱度，橫橋向位移較小，位移趨勢為由內(nèi)側(cè)向外側(cè)滑移；③從應(yīng)力結(jié)果上看，截面節(jié)點的應(yīng)力結(jié)果理想，鋼筋混凝土在自重及預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用下，不會發(fā)生破壞，跨中截面外側(cè)及下緣應(yīng)力較大。

結(jié)語

本文結(jié)合武漢市長豐大道工程快速路高架中的L14聯(lián)大跨度曲線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，基于ANSYS三維實體單元法研究預(yù)應(yīng)力作用下曲線梁橋的空間應(yīng)力及位移變化情況，采用兩種耦合方法對預(yù)應(yīng)力鋼筋單元與混凝土單元進行處理。通過數(shù)據(jù)對比，結(jié)合實測應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，采用預(yù)應(yīng)力單元節(jié)點與混凝土單元耦合的方法能較好地模擬預(yù)應(yīng)力與混凝土之間的關(guān)系，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，對于梁體局部分析更為直觀，且對于計算而言，此方法命令流編寫方便，計算結(jié)果更為精確。從計算結(jié)果上進行分析，彎梁橋存在橫向滑移趨勢，在設(shè)計及施工中應(yīng)預(yù)先對彎梁橋的橫向滑移問題采取措施，防止在施工過程中出現(xiàn)梁體滑出、傾覆等不良工程現(xiàn)象；同時，彎梁橋受到自身彎扭耦合的作用影響，跨中處截面下緣及梁體外側(cè)處應(yīng)力較大，施工過程應(yīng)著重控制其施工質(zhì)量標準，保證其良好的工作狀態(tài)；此外，預(yù)應(yīng)力鋼筋在曲線梁橋中受力情況與一般直線梁橋差別較大，更為嚴格的鋼筋定位控制與科學(xué)合理的張拉技術(shù)不可或缺，這將直接對實際工程質(zhì)量產(chǎn)生影響。

參考文獻：

[1]孟會英等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋動力特性分析與試驗研究[J].世界地震工程，2008，24（1）：128-131.

[2]何瑞平.曲線梁橋的特點及在設(shè)計中應(yīng)注意的問題[J].低溫建筑技術(shù)，2014（4）：62-64.

[3]劉軻，趙建昌.某預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁降溫法的有限元分析[J].山西建筑，2008，34（5）：92-93.

[4]李律等.基于ANSYS的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)值模擬[J].公路工程，2007，32（4）：178-179，183.

[5]樊海平. ANSYS在懸臂箱梁結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2011，27（3）：94-96..

[6]劉樹新，賀西格.空間預(yù)應(yīng)力砼梁預(yù)應(yīng)力分布的數(shù)值模擬與計算[J].包鋼科技，2005，31（5）：58-60.

[7]陳軍等.曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力筋張拉順序的數(shù)值模擬及優(yōu)化[J].工程與建設(shè)，2011，25（1）：1-3.