预应力混凝土连续刚构桥0号块空间应力分析

预应力混凝土连续刚构桥0号块空间应力分析
发表时间：2020-04-01T02:49:59.151Z 来源：《防护工程》2019年22期作者：田帅1 郭太军2 [导读] 以广东省广州市东二环项目的（84+126+77）m预应力混凝土连续刚构桥0号块为研究对象，首先采用Midas civil软件建立桥梁模型，提取在正常使用极限状态下结构的弯矩、剪力与轴力。

田帅1 郭太军2
中恩工程技术有限公司广州市 510000摘要：以广东省广州市东二环项目的（84+126+77）m预应力混凝土连续刚构桥0号块为研究对象，首先采用Midas civil软件建立桥梁模型，提取在正常使用极限状态下结构的弯矩、剪力与轴力。

然后根据圣维南原理，采用有限元软件ANSYS对连续刚构桥0号块的空间应力
进行了系统性分析。

计算结果表明：除去箱梁在钢束处产生的明显应力集中现象，0号块总体应力分布情况符合规范要求。

关键词：预应力混凝土连续刚构桥；0号块；圣维南原理；空间应力 Analysis on Spatial Stress of Block 0 of Prestressed Concrete Continuous Rigid Frame Bridge Abstract：Taking block 0 of 84+126+77m prestressed concrete continuous rigid frame bridge of East Second Ring Project in Guangdong Province as the research object，this paper firstly establishes bridge model by Midas civil software to extract bending，shearing and axial forces of structure under ultimate limit state and serviceability limit state respectively. Then，according to the Saint-Venant principle，spatial stress of block 0 of continuous rigid frame bridge is systematically analyzed by the finite element software ANSYS. The calculation results show that：except for the obvious stress concentration of the box girder at the steel beam，the overall stress distributions of block 0 accord with the standards. Key words：prestressed concrete continuous rigid frame bridge；block 0；Saint-Venant principle；space stress
引言
预应力混凝土连续刚构桥墩梁固结，不需设置伸缩缝与支座，因而行车平顺，减少了更换支座的费用，但预应力、温度变化及混凝土收缩徐变都会使桥梁结构产生较大的次内力。

大跨径的连续刚构桥一般采用悬臂施工，0号块位于上部主梁与下部桥墩的连接处，是上部结构悬臂施工的基础，若发生开裂等限制将影响整个桥梁结构的安全，因此，分析研究0号块具有重要意义[1]。

1、工程概况
本项目主桥采用（84+126+77）m预应力混凝土连续刚构桥，主梁采用C55混凝土，单幅桥宽13m，采用单箱单室箱形斜腹板断面，两侧翼缘板悬臂长2.75m。

主梁根部梁高7.9m，跨中及边跨端部梁高均为3.2m，梁高以2次抛物线的形式变化，由悬浇段末端变化至墩身外侧。

主梁腹板厚度为120cm，主梁底板厚度也以2次抛物线的形式变化，从主梁根部110cm逐渐变化到跨中30cm；主梁顶板厚为28cm。

下部桥墩采用C50混凝土空心墩，墩身采用单箱单室截面，纵桥向宽度为4.0m，壁厚为1m，横桥向宽度与上部箱梁宽度均为5.75m，壁厚为1.0m。

图1 主桥桥型布置图
图2 0号块箱梁横截面
2、计算模型
2.1 Midas模型
本文首先运用Midas civil软件建立预应力混凝土连续刚构桥模型，通过Midas civil计算结果提取0号块有限元分析所需的荷载工况，然后进行有限元分析计算，Midas连续刚构桥模型如图3所示。

图3 连续刚构桥模型
2.2 有限元模型
采用有限元软件ANSYS建立0号块模型，首先定义单元类型与材料属性，主桥上部C55混凝土箱梁与下部C50混凝土墩身采用solid95单元进行建模，主梁内纵向预应力钢绞线与横向预应力钢筋采用link8单元进行模拟，材料参数如表1、表2与表3所示。

表1 混凝土材料性能表
根据圣维南原理[2]可知：0号块的空间应力分布受其邻近区域的应力影响很大，而受远离0号块区域的应力影响较小。

因此，本文选取0号块（5m）与1号块（3m+3m）、2号块（3m+3m）及13m空心墩作为主要研究对象。

2.3 预应力模拟
ANSYS模拟预应力的方法主要分为两种[3]：等效荷载法与实体力筋法。

由于等效荷载法不能考虑力筋对混凝土的作用和方向，也无法模拟应力损失引起的力筋各处应力不同等情况，因此本文采用实体力筋法。

实体力筋法包括实体切分法、节点耦合法与约束方程法这三种，由于结构预应力筋较多，且力筋不同位置的预应力分布也各不相同，采用节点耦合法较为理想，预应力筋单元与混凝土单元之间采用节点耦合的形式，并运用降温法模拟预应力，预应力钢筋分布如图4所示。

图4 预应力钢筋布置图
3、边界条件与荷载工况
边界条件采用对墩底进行固结处理，即施加X、Y、Z三向约束，对两端2号块采用CERIG命令定义为局部刚域，如图5所示。

图5 0号块有限元模型
0号块空间应力分析计算主要分为：
（1）施工阶段最大悬臂工况下的空间应力计算。

（2）使用阶段最不利剪力效应组合工况下的空间应力计算。

（3）使用阶段最不利弯矩效应组合工况下的空间应力计算。

分别提取上述三种荷载工况下的弯矩、剪力与轴力值，将其施加到箱梁两端2号块的形心位置处，进行计算分析，荷载工况如表4所示。

4、计算结果分析
由于0号块有限元模型做了一定的简化处理，比如预应力钢束都直接采用直线的形式，这势必会导致模型在钢束位置产生应力集中现象，而实际结构在钢束锚固处都有锚垫板等避免产生应力集中，因此，应力云图中该处的应力集中情况可不考虑。

4.1 施工阶段最大悬臂工况下的计算结果
图8 主压应力云图
从图6到图8中可以看出，0号块顶板受压，底板受拉，腹板从上到下，由受压逐渐转化为受拉，横隔板基本处于受压状态，除去应力集中位置，应力绝对值总体分布在1MPa~19MPa之间。

4.2 使用阶段最不利剪力效应组合工况下的计算结果
图10 主拉应力云图
图11 主压应力云图
从图9到图11中可以看出，0号块顶板受压，底板受拉，腹板从上到下，由受压逐渐转化为受拉，横隔板基本处于受压状态，除去应力集中位置，应力绝对值总体分布在1MPa~18MPa之间。

4.3 使用阶段最不利弯矩效应组合工况下的计算结果
图14 主压应力云图
从图12到图14中可以看出，0号块顶板受压，底板受拉，腹板从上到下，由受压逐渐转化为受拉，横隔板基本处于受压状态，除去应力集中位置，应力绝对值总体分布在5MPa~23MPa之间。

5、结论
顶板主要承受压应力；底板主要承受拉应力；腹板从上到下，由压应力逐渐变为拉应力；横隔板主要承受压应力；人孔处、箱梁和桥墩接触处等产生的应力集中，可通过局部加厚、加强配筋或平缓倒角等措施进行改善。

除去箱梁在钢束处产生的明显应力集中现象，结构应力情况基本满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362-2018）的相关规定。

参考文献：
[1] 马保林. 高墩大跨径连续刚构桥[M]. 北京：人们交通出版社，2002.
[2] 张少实. 新编材料力学[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
[3] 王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京：人们交通出版社，2007.。