（固体力学专业论文）预应力混凝土连续梁桥施工阶段内力分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 预应力混凝土连续梁桥因其优越的结构体系成为当今一种广泛采用的桥梁形式。 预应力混凝土连续梁桥广泛采用悬臂浇筑法进行施工，桥梁结构在施工期内会产生复 杂的内力与位移变化，为确保施工质量与安全，必须对桥梁进行内力分析，由于施工 条件的制约，对桥梁施工阶段进行实时监控有一定困难，因此，桥梁施工阶段的数值 模拟就具有重要意义，正确的模拟既能在理论上分析桥梁施工阶段的内力状况，又能 给工程设计与施工提供参考。 本文阐述了桥梁的构造与受力特点以及空间分析的一般方法，详细介绍了桥梁施 工过程的结构分析方法、运用数值方法分析桥梁施工工况的一些模拟假定。 本文介绍了运用大型通用有限元程序a n s y s 对桥梁施工阶段数值模拟的具体方 法与步骤，总结了具有复杂钢筋分布的箱梁桥在a n s y s 中的建模方法、单元类型的选 取、网格划分的技巧、预应力钢筋的模拟方法以及预应力效应的模拟，比较了各种方 法在分析该桥型上的优劣，并以某铁路预应力混凝土连续梁桥为例，采用实体单元， 耦合钢筋与混凝土节点，采用初应变法施加预应力、模拟预应力效应，施加约束，实 现在a n s y s 中该桥梁悬臂施工期和合拢阶段的三维有限元仿真分析，然后将计算结果 分别与桥梁专用有限元软件m i d a s c i v i l 计算结果、现场钢筋张拉试验数据进行了对 比与分析，其结果表明，运用a n s y s 对预应力混凝土连续梁桥施工阶段的三维数值模 拟是可行的。 关键词：预应力混凝土连续梁桥；施工内力；悬臂施工；有限元数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ep r e s t r e s sc o n c r e t ec o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g ei so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e di nb r i d g e e n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t se x c e l l e n ts t r u c t u r a ls y s t e m t h el o n g - s p a np r e s t r e s s c o n c r e t e c o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g ew i d e l ya d o p t ss y m m e t r i c a lc a n t i l e v e rp o u r i n gc o n s t r u c t i o n d u r i n g t h ep r o c e s so ft h eb a l a n c e dc a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o n ，t h ei n t e rf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to ft h e b r i d g ea r ec h a n g e ds o p h i s t i c a t e d t oe n s u r es a f e t ya n dq u a l i t yd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n ，t h e c o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o na n dm o n i t o r i n gm u s tb ec a r r i e do u t a st h ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ， t h e r ea r ec e r t a i nd i 伍c u l t i e si nm o n i t o r i n gt h eb r i d g e d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o ns t a g e ， a c c o r d i n g l yt h ec o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o ni si m p o r t a n ti nt h eb r i d g ec o n s t r u c t i o ns t a g e t h e c o r r e c ts i m u l a t i o nn o to n l yc o u l da n a l y z et h eb r i d g ec o n s t r u c t i o ni n t e r n a lf o r c e st h e o r e t i c a l l y , b u ta l s op r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o re n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h ep a p e rd e s c r i b e st h em a k e u p ，f o r c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eg e n e r a ls p a t i a la n a l y s i s m e t h o d so ft h eb r i d g e i td e t a i l e di n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n a l y s i sm e t h o d so ft h eb r i d g e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a n ds o m es i m u l a t i o na s s u m p t i o n so fa n a l y z eb r i d g ec o n s t r u c t i o n c o n d i t i o n sb yu s i n gn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es p e c i f i cm e t h o d sa n ds t e p so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e b r i d g ec o n s t r u c t i o ns t a g eb yu s i n gt h ef e ms o f t w a r ea n s y s b a s e do na n s y s ，t h ep a p e r s u m m a r i z e st h em o d e l i n gm e t h o d s ，e l e m e n tt y p es e l e c t i o nm e t h o d ，m e s ht e c h n i q u e s ， p r e s t r e s ss t e e ls i m u l a t i o nm e t h o d sa n dt h ep r e s t r e s s i n ge f f e c ts i m u l a t i o nm e t h o d so ft h e b o x g i r d e rb r i d g ew h i c hh a sac o m p l e xs t e e ld i s t r i b u t i o n i tc o m p a r e dt h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fv a r i o u sm e t h o d st oa n a l y z et h eb o x g i r d e rb r i d g e b yt a k i n gac e r t a i n p r e s t r e s sc o n c r e t ec o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g ea sap r o j e c t ，s e l e c t e ds o l i de l e m e n tt y p e ，c o u p l e d s t e e la n dc o n c r e t en o d e s ，s i m u l a t i o np r e s t r e s s i n ge f f e c tb ya p p l i e dt h ei n i t i a ls t r a i nm e t h o d ， d e f i n el o a d s ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fp r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u e sg i r d e rb r i d g ei s s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d ，a n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fm i d a s c i v i l s c a l c u l a t i o na n dt e s td a t e ，w h i c hs h o w st h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s so ft h eb r i d g ew i t ha n s y si sv i a b l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e yw o r d s ：t h ep r e s t r e s sc o n c r e t ec o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e ；c o n s t r u c t i o ni n t e rf o r c e ； s y m m e t r i c a lc a n t i l e v e rp o u r i n gc o n s t r u c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位敝作者签名：喝嘱 日期： 1 ，f ，yg 指导老师签名： r 躲 日期：幽碑舟尹茸 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 本选题以预应力混凝土连续梁桥施工阶段的内力分析为切入点，总结前人研究 成果，结合工程实例，进行深入研究。 2 运用大型通用有限元程序a n s y s 对桥梁悬臂施工阶段和合拢阶段进行数值模 拟，并将计算结果分别与桥梁专用有限元软件m i d a s c i v i l 计算结果、预应力钢筋张 拉试验数据做对比分析，验证模拟的可行性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 一弥碍馁 日期：y ，j 札g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 预应力混凝土连续梁桥的发展现状 l 。1 1 预应力混凝土连续梁桥概况 预应力混凝土连续梁( 刚构) 桥最早产生于德国和法国。随后在美国、日本以及北 欧等国家和地区得到了迅速的发展。世界上第一座预应力混凝土刚构桥，是前德国于 19 5 3 年建成的跨度为10 1 6 5 m + 11 4 2 m + l0 4 2 m 的沃尔姆斯( w o r m s ) 大桥。自六十年代 中期德国首次采用悬臂浇筑法建成b e n d o r f 桥以来，悬臂浇筑施工法和悬臂拼装施工法 得到不断改进、完善和推广，从而使得预应力混凝土连续梁桥成为许多国家广泛采用 的桥型之一。 我国自五十年代中期开始修建预应力混凝土桥梁，至今已有五十多年的历史，比 欧洲起步晚，但近三十年来发展迅速，在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验 研究、桥梁检测、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异，预应力混凝土 桥梁的设计与施工技术都已达到相当高的水平。 预应力混凝土连续梁桥具有抗裂性好、耐久性好、变形小、结构刚度好、跨越能 力大、行车平顺舒适、伸缩性好、养护简单、抗震能力强等优点。这些因素使得此桥 型在铁路、公路和城市桥梁工程中得到了广泛采用。 1 1 2 我国预应力混凝土连续梁桥的发展n 1 1 桥梁设计技术的发展及主要设计规范的制定与完善 ( 1 ) 1 9 7 8 年交通部颁布了我国第一部公路预应力混凝土桥梁设计规范，该规范 按单一系数极限状态设计理论编制，比以往采用的破坏阶段理论规范前进了一步。 ( 2 ) 1 9 8 5 年交通部颁布了公路桥涵设计规范( j t k 0 2 3 8 5 ) ，该规范是参照1 9 7 8 年c e b f i p 的国际标准规范进行编制的。 ( 3 ) j t k 0 2 3 8 5 规范允许桥梁构件按部分预应力混凝土( p p c ) 设计。规范将桥梁构 件分为三类，其中，a 类构件是在短期荷载作用下允许截面受拉边缘出现拉应力，但 拉应力值不超过规范中的规定限值，如有些箱梁的项板横向预应力是按a 类构件设计 的。b 类构件是在短期荷载作用下，允许截面受拉边缘出现裂缝，即拉应力值超过规 范中的规定限值，目前在大跨度预应力箱梁桥设计中未见采用此类构件。而p p c 构件 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 具有节约钢材、降低造价、能减少由预应力引起的反拱度、改善结构受力性能等优点， 已在一般公路、铁路桥梁和城市桥梁工程中逐步推广应用。 2 桥梁结构分析专用软件和c a d 技术 自7 0 年代后期以来，我国桥梁结构分析专用软件和c a d 技术得到大力开发和应 用。其中包括采用有限元法编制的桥梁通用综合程序以及许多桥梁专用程序来实现设 计、计算。绘图一体化，大大提高了计算精度和速度，特别是可用于大量重复计算、 局部应力分析、设计方案优化。大跨度预应力混凝土桥梁的结构分析设计软件开发和 推广应用，适应了我国桥梁建设高速发展的需要。目前计算机技术已被广泛应用于大 跨度预应力混凝土连续梁桥的施工控制。 3 桥梁施工技术的发展 在我国中小跨径的预应力混凝土连续梁桥施工中，除了最古老的支架现浇法外， 还采用了先简支后连续、顶推法、移动模架逐孔浇筑法、移动导梁逐孔拼装法和梁体 预制浮吊安装法等施工技术。 平衡悬臂浇筑施工法和平衡悬臂拼装施工法的采用促进了预应力混凝土连续梁桥 的发展。大跨度预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。 另外，高强度预应力钢材、高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系的研制开发和 应用，也促进了大跨度预应力混凝土连续梁桥的发展。 1 2 悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥的特点乜 悬臂浇筑法又称无支架平衡伸臂法、挂篮法、吊篮法。它是以已经完成的墩顶段( 通 常称“0 号块) 为起点，通过悬吊的挂篮从立模、浇注混凝土、张拉预应力钢筋，逐 段对称地向跨中合拢，形成整桥。悬臂法施工内容包括挂篮设计、托( 支) 架设计、临 时支座和永久支座的安装、“o ”号块的施工、标准段施工、直线段施工、合拢段施工 和体系转换。梁段长度一般为3 5m ，在桥墩两侧相背方向同时对称施工。悬臂法施工 包含模板工程、钢筋工程、混凝土工程、预应力技术、合拢技术和体系转换技术、线 型控制技术1 等基本技术，应用该方法施工具有如下特点： ( 1 ) 预应力混凝土连续梁桥的结构受力状态有利于悬臂施工，即悬臂施工时的受力 与成桥后的结构受力较为接近。施工时的预应力筋张拉既是施工时的临时需要，又是 成桥后的结构受力筋。 ( 2 ) 作为无支架施工，有利于通航河流建桥、有利于深山峡谷之间建桥、有利于城 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 市立交建桥，不妨碍桥下净空，不影响桥下交通。 ( 3 ) 有利于节省施工费用，降低工程造价。因为挂篮结构简单，成本低廉，逐段浇 注混凝土无需大型吊装设备。 ( 4 ) 有利于施工作业，加快施工进度。 ( 5 ) 有利于变高度箱粱施工。 1 3 我国悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥建造现状乜， 我国预应力混凝土连续梁桥在2 0 世纪7 0 年代首次应用于城市桥梁工程，1 9 7 3 年 修建的北京复兴l 立交桥( 8 2 5 m + 2 5 m + 8 2 5 m ) 为支架拼装的预应力混凝土连续梁桥； 1 9 7 5 年修建的河北通惠河桥( 2 6 7 m + 4 0 7 m + 2 6 7 m ) 为单室预应力混凝土连续梁桥；1 9 7 7 年修建的河北洛河大桥( 3 0 2 7 m + 2x 4 5 m + 3 0 2 7 m ) 为悬臂浇筑的三室箱梁桥；1 9 7 9 年9 月建成的兰州黄河桥( 4 7 m + 3 7 0 m + 4 7 m ) 为悬臂浇筑的分离式双室箱梁桥，从而进一 步推动了预应力混凝土连续梁桥的修建和发展。 从我国已建成的大跨度预应力混凝土连续梁桥修建情况来看，大部分采用悬臂浇 筑法施工，通过大量的工程实践，施工工艺在不断革新，施工质量在不断地提高，如 悬臂浇筑的作业循环周期在不断缩短；施工效率和混凝土整体质量在不断提高；在施 工机具、挂篮设备、现浇技术等方面取得了较大发展和相当水平，主要表现在以下几 方面： ( 1 ) 挂篮形式多样，结构设计更趋合理，挂篮重量不断减轻。挂篮结构形式有型钢 式、桁架式、斜拉式和混合式等。挂篮自重与节段混凝土重量比值己由l 2 降至0 3 0 5 。 挂篮重量的减轻，不仅减少了挂篮所需要的材料和设备，节省了制造、运输、安装、 拆卸的费用，而且可使桥梁设计变得更为经济合理。悬臂浇筑施工法所用的其他设备 如预应力工艺设备、挂篮走行和固定装置等，国内都有配套的系列产品可供选用。 ( 2 ) 分段浇筑工艺曰趋成熟。一般分段长度为2 - 5 m ，梁高5 8 m ，梁段作业循环周 期一般在7 天左右，对于3 5 跨的预应力混凝土桥的上部结构，在1 、2 对悬臂单元同 时作业的情况下，可以做到不跨年度施工。 ( 3 ) 新材料、新设备的开发和应用进一步促进了预应力混凝土连续梁桥的发展。在 2 0 世纪8 0 年代后期，国内开始生产1 8 6 0 m p a 的低松弛预应力钢绞线，加上与其配套 的大吨位预应力锚具和张拉设备的研制成功，c 5 0 与c 6 0 高强混凝土的应用，使得预 应力连续梁桥结构轻型化，跨越能力得到很大提高，使得预应力结构设计更趋经济合 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 理。 ( 4 ) 计算机技术的发展。促进了桥梁建设的发展。自2 0 世纪7 0 年代后期以来，我 国桥梁结构分析专用软件和c a d 技术得到大力开发和应用，不仅大大提高了计算精度 和速度，而且使大跨度预应力混凝土连续梁桥的施工控制有了可能，使得成桥后的线 形平顺，符合桥梁的纵向设计标高，桥梁结构的受力状态能与设计计算一致。 1 4 本论文的主要研究内容和研究方法 本论文在学习和总结前人相关研究工作的基础上，结合工程实例，对预应力混凝 土连续梁桥施工阶段的内力进行研究，对数值模拟方法做了全面的介绍，同时对利用 大型通用有限元程序a n s y s 做桥梁施工阶段的内力分析的实现步骤和方法做了详细 的介绍和实例计算，通过对比桥梁专用有限元软件m i d a s c i v i l 计算结果和预应力钢 筋张拉试验数据来探讨运用a n s y s 对结构进行实体有限元分析的可行性。 归纳起来，本论文的主要研究内容包括： 1 总结在a n s y s 中对预应力混凝土连续梁桥施工阶段模拟分析的步骤与方法，在 综合比较分析了目前常用的箱梁结构计算分析方法的优缺点及适用性的基础上，结合 本论文所研究桥梁的具体情况，选取合适的模拟分析方法。 2 根据预应力混凝土连续梁桥悬臂施工的体系模拟假定，选择合适的单元类型， 在a n s y s 中建立实体模型，耦合混凝土和钢筋单元，施加与设计等效的预应力，实现 在a n s y s 中对桥梁两个施工阶段，即悬臂施工阶段和合拢阶段的数值模拟。 3 在m i d a s c i v i l 中建立桥梁悬臂施工阶段的模型，并对该阶段进行数值模拟， 对计算结果作简单介绍。 4 简述本次桥梁的预应力钢筋张拉应力试验情况，简要分析相关试验数据。 5 将a n s y s 悬臂施工阶段的计算结果与m i d a s c i v i l 计算结果做比较分析；将 a n s y s 合拢阶段的计算结果与钢筋张拉试验结果做比较分析。 对于上述内容，将在下面相应章节进行详细的阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章预应力混凝土连续箱梁桥的空间分析 2 1 箱形梁的截面特点与构造 2 1 1 截面特点 预应力混凝土连续梁桥通常采用箱型截面口1 ，此种截面具有良好的结构性能：( 1 ) 截面抗扭刚度大，结构在施工与使用过程中都具有良好的稳定性；( 2 ) 顶板与底板可使 用较大厚度的高强混凝土，并通过布置预应力钢筋来有效抵抗正负弯矩；( 3 ) 适应现代 化施工方法的要求，如悬臂施工法、顶推法等；( 4 ) 承重结构与传力结构相结合，使各 部件共同受力，达到经济效果，同时，截面适合预应力混凝土结构空间布置钢束，更 能收到经济效果；( 5 ) 适合修建曲线桥；( 6 ) 能较好满足公共设施的管线布置。因此， 此种截面的桥梁随着悬臂施工方法的采用，在主跨大于6 0 m 的大、中跨度预应力混凝 土连续梁桥方案中已占有绝对优势。 箱梁截面一般有等高度截面和变高度截面两种形式。从预应力混凝土连续粱的受 力特点来分析，采用变高度梁能较好地符合梁的内力分布规律，另外，变高度梁使梁 体外形和谐，节省材料并增大桥下净空。但是，在采用顶推法、移动模架法等施工方 法的桥梁，一般采用等高度梁，其优点是结构构造简单、线形简洁美观、预制定型、 施工方便，而它的不足之处在于：在支点上不能利用增加梁高而只能增加预应力钢筋 用量来抵抗较大的负弯矩，材料用量多。 箱梁在横截面上布置的形式，主要与桥宽有关，或根据桥梁结构受力与功能要求选 择采用，常规的截面形式有：单箱单室、单箱双室( 或多室) 、双箱单室、双箱多室等； 外侧腹板可布置为直腹板或斜腹板；外伸翼板可以布置成宽翼板箱梁或窄翼板箱梁； 过宽翼板箱梁，在悬臂板下可加斜撑或采用加劲梁悬臂板。如图2 1 为部分截面形式。 i 一 图2 1 ( a ) 单箱单室图2 1 ( b ) 单箱双室 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 1 ( c ) 双箱双室图2 1 ( d ) 双箱双室 图2 1 ( e ) 横梁加劲的单箱单室 2 1 2 截面构造 箱粱截面是一个整体，整个截面共同承担横截面上的荷载，但是因为截面上存在 几何上的突变，每个区域的荷载分布有较大差异，为了实现功能分区与更好地了解截 面的受力特点，通常将截面分解为项板、底板、腹板、横隔板及承托横隔板几个部分。 1 顶板和底板构造 箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位。当采用悬臂施工方 法时，梁的下缘特别是靠近桥墩的截面将承受很大的压应力，所以箱形截面的底板应 提供足够大的承压面积，发挥良好的受力作用。在弯矩发生变号的截面中，顶板和底 板都应各自发挥承压的作用。底板除承受自身荷载外，还承受施工荷载，当采用悬臂 法施工时，箱梁底板还承受挂篮的反力，设计时须考虑。 箱梁底板一般采用变厚度，悬臂端厚度主要受构造要求控制，支点厚度主要受纵 向压应力控制。箱梁的底板厚度随着箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚直至墩顶，以适应 变压要求。底板除需符合使用阶段的受压要求外，在破坏阶段还应使中和轴保持在底 板以内，并有适当的富余，厚度般约为墩顶梁高的1 1 0 1 1 2 。因跨中正弯矩要求， 大跨度连续箱梁底板内需配置一定数量的钢筋，此时跨中底板厚度一般在2 0 0 - 2 5 0 m m ， 跨中设铰的箱梁悬臂端底板一般为1 5 0 1 8 0 r a m 。 箱梁顶板通常采用等厚度。其厚度的确定般需考虑两个因素：满足桥面板横向 弯矩的要求；满足布置纵向预应力钢束的要求，即横向抗弯及纵向抗压。桥面板的悬 臂长度也是调节板内弯矩的重要参数，在布置有横向预应力钢筋时，一般宜尽量外伸 一蜞。 口丁 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 腹板构造 腹板的主要功能是承受结构的弯曲剪应力与扭转剪应力所引起的主拉应力。箱梁 腹板有直腹板、斜腹板和弧形腹板三种。弧形腹板使用较少。有些桥梁采用了斜腹板， 其特点是既减小了底板的横向跨度，避免使底板做得又宽又厚，又减小了迎阳面，有 利于减小温度应力。但直腹板依然是箱梁设计主流，其最小厚度可按下列情况考虑： ( 1 ) 腹板内无预应力束管道布置时腹板最小厚度可采用2 0 0 m m ；( 2 ) 腹板内有预应力束 管道布置时腹板最小厚度可采用2 5 0 3 0 0 r a m ；( 3 ) 腹板内有预应力束锚固时腹板最小 厚度则采用3 5 0 m m 。 3 横隔板和承托横隔板构造 横隔板和承托横隔板的基本作用是增加截面的横向刚度，限制截面畸变。在支撑 处的横隔板还担负着承受较大支撑反力的作用。箱形截面由于具有很大的抗扭刚度， 所以横隔板的布置可以比肋式梁桥少一些。横隔板的设置，除要考虑永久支座的位置 外，临时支座位置变动的影响也是不可忽略的，否则可能导致截面开裂。承托横隔板 一般设置在顶板与腹板接头处。承托提高了截面的抗扭刚度和抗弯刚度，减少了扭转 剪应力和畸变。桥面板在腹板支撑处的刚度加大后，可以吸收负弯矩，减少桥面板的 跨中正弯矩。此外，承托使板与板过度比较缓和，减小了次应力。从结构上考虑，利 用承托所提供的空间来布置预应力钢筋，这也为减少底板和顶板厚度提供了构造上的 保证。 2 2 箱形梁截面的受力特点 箱形截面具有较大的抗扭能力，因而即使在偏心荷载作用下，箱梁的整体受力性 能仍较好。同时，箱梁具有较大的顶板和底板面积，抵抗交替出现的正、负弯矩的能 力较强。 桥梁在分段施工过程中，其结构受力体系不断变化，各个施工阶段的受力状态既 相互影响又相互独立，这使得施工过程中的结构受力分析变得更加复杂，但却更加重 要。箱梁在恒载、活载及各种临时施工荷载作用下，通常会有纵向弯曲、刚性扭转、 畸变、横向挠曲等一种或几种变形状态心4 5 引。 箱粱截面在与截面纵向对称轴相对称的荷载作用下只引起箱梁弯曲变形，包括整 体弯曲和局部弯曲；而在偏j 心或反对称荷载作用下则引起箱梁的刚性扭转和畸变。箱 梁受力具有空间效应，箱形截面上任意一点处的应力状态是一种空间应力状态。然而 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 目前应用较多的桥粱有限元计算程序大都将箱梁结构简化为平面杆系结构，计算纵向 正应力时忽略约束扭转正应力和截面畸变产生的纵向翘曲正应力，这对结构安全是不 利的，应特别引起注意。随着计算机技术和有限元方法的发展，采用大型有限元软件 或专用的计算程序分析箱梁的受力状态已比较现实。 2 3 箱梁空间分析方法 为考虑因扭转产生的畸变、翘曲位移以及弯曲产生的剪力滞对箱粱的影响，现在， 箱梁结构的空间整体分析已提出了不少计算方法，概括起来，箱梁分析的主要方法有 解析法和数值法两类。为了把问题简化，在解析法中往往采用一些假定和近似处理方 法，应用形式单一，有一定的局限性，而数值方法能适用各种复杂多变的结构形式和 荷载条件，数值方法主要包括有限元法、箱梁理论、有限条法和板梁理论等方法，本 文所使用的大型通用有限元软件a n s y s 即是采用了数值方法中的有限元法来分析问 题。下面对解析法和数值法分别做一简述。 2 3 1 箱梁空间分析解析法口3 解析法是使用一些假定与近似的方法来分析复杂的箱形梁体的空间受力状况，如 图2 2 为作用于箱形梁的偏心荷载分解成对称荷载与反对称荷载。对称荷载作用时， 按梁的弯曲理论求解，反对称荷载作用时，按薄壁杆件扭转理论分析，然后将两者计 算结果叠加。扭转分析又根据截面的刚度区分为截面不变形( 刚性扭转) 和截面变形( 畸 变) 两种情况。通过这些荷载分解，便可以从单个问题的角度进行比较深入的探讨。采 用若干假定，是解析法的重要特点，如对位移模式的假定等。使用解析法解决箱形梁 空间问题的一般步骤是：假定位移模式；利用位移模式求得截面上各点的应变和 应力；用力的平衡条件和变形协调条件，或者根据变分原理建立控制微分方程； 解微分方程求得位移和应力。 在箱梁空间分析中，剪滞现象是箱梁一个重要的受力特征，其解析方法有“加劲 板”理论、比拟杆法等。运用能量法进行分析有如下假定：由剪滞效应产生的翼板中 的纵向位移差沿横向按二次抛物线变化。但是这种假定是否符合实际情况，仍有待考 证，同时由于此方法只能适用于分析简支、悬臂等静定结构的剪滞效应，应用受到限 制。另一种有效的方法是，假定纵向位移沿横向按三次抛物线变化，比较符合有限元 分析和模型测验结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 p晓p晓p12p n p f 4xb h 图2 - 2 偏心荷载分截图 2 3 2 箱梁空间分析的数值方法 据前所述，箱梁空间分析的数值方法主要包括箱梁理论、有线条法、板梁理论以 及有限元法等1 。 ( 1 ) 箱梁理论是在初等梁理论的基础上增加了考虑翘曲变形、剪切变形、畸变等影 响所建立起来的计算方法，这种方法虽然继承了梁理论计算简单的优点，可以方便地 分析结构变形和内力，但是有三个缺点：截面特性计算十分复杂；局部应力计算 困难；箱室增加使得畸变形式呈多样化，在多室箱梁中的应用受到了限制。 ( 2 ) 有限条法：该方法可以合理地模拟截面形状、较精确分析结构的变形和应力， 但是，对于不光滑连续的位移条件、横隔板的影响、变截面处理等方面尚有一定困难， 再加上软件编制方面相对较为特殊，因此目前除正交异性板等特定结构以外，在桥梁 设计中已很少使用有限条法。 ( 3 ) 板梁理论是介于梁和板壳有限元之间的一种计算方法，具有较高的计算精度和 操作简便的优点，己受到关注，不少算例已验证了这一方法的有效性。 ( 4 ) 采用有限元分析箱形梁空间效应心1 是当今箱梁分析的趋势与最有效的方法，其 主要分析方法有平面有限元理论、梁格理论、空间梁单元理论、板壳理论、实体单元 空间有限元理论，以及近几年提出的退化单元空间有限元理论阳旧幢1 等。 有限元法，也称有限单元法口1 ，按所取基本未知量的不同分为位移法和力法。位 r，ij广一 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 移法以节点的位移为基本未知量，力法是以节点力为基本未知量。位移法由于容易实 现电算求解而应用广泛，本文使用的有限元软件a n s y s 便是采用位移法求解问题。按 位移法对线弹性问题作有限元分析分为四步：单元划分和位移模式的确定、单元分析、 总体分析及有限元方程组的求解。 单元划分与位移模式的确定： 将真实连续结构用有限个在节点处相接的离散单元的组合体来代替，并使这些单 元按变形协调条件相互联系，形成结构离散化模型或有限元系统，其单元内部任意点 的位移与单元各节点处的位移之间存在一定的位移模式关系： ( 厂) = 】( 6 ) 日 ( 2 一1 ) 式中： ( 厂】表示任意点的位移分量列阵； 表示形函数矩阵；) 日表示单元节点 位移分量列阵。 单元分析： 根据位移模式，由弹性力学中的应力一位移关系可得单元几何方程： ( 】= 陴】( 6 ) 日 ( 2 2 ) 式中： ( ) 表示单元应变分量列阵；陋 表示应变矩阵。 又由材料的物理方程： p ) = p ( ) ( 2 - 3 ) 可得： p ) = p 】( ) p ) 8 ( 2 - 4 ) 式中： ( 仃) 表示单元应力分量列阵；l d 表示弹性矩阵。 再根据虚位移原理，按照虚功方程： ，【) 7 ( a d v = ( ( 6 + 】) r ( f ) 口 ( 2 5 ) 可得单元平衡方程： 矿) p = k 8 ( 6 ) 8 ( 2 6 ) 式中：( + ) 表示任意节点的虚应变分量列阵；( 艿+ ) 表示单元节点虚位移分量列阵； ( f 】日表示单元节点力分量列阵；k 口= lb r d 8 d 矿表示单元刚度矩阵。 总体分析： 综合离散体的所有单元则可形成整体平衡方程： ( 尺) = 刚( 艿) ( 2 7 ) 式中：( 尺) 表示整体节点荷载列阵；畔】表示整体刚度矩阵；( 6 ) 表示整体节点位移 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 列阵。 求解有限元方程组： 将上述方程形成线性方程组，解方程组求得各节点位移后，可应用假定位移模式， 几何方程，物理方程分别求出各单元内任意一点的位移、应变和应力。 如前所述，平面有限元理论、梁格理论、空间梁单元理论这三种有限元空间分析 理论，都是近似的计算方法，在工程初步设计估算截面尺寸时基本已满足使用要求。 其中空间粱单元是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。通用的有限元软 件如s a p 系列、a d i n a 、a n s y s 的单元库中均包括空间梁单元。但采用空间梁单元 进行预应力混凝土箱梁分析，有很多不便，如不能反映箱梁“剪滞效应”等。梁格理 论是分析桥梁上部结构比较实用的空间分析方法，其思想是将桥梁上部结构模拟成由 纵梁、横梁组成的梁格体系并利用空间杆系有限元法计算。梁格法能从一定程度上反 映箱梁受力的空间效应，对于多箱多室的箱梁有较高的实用价值；但对于单箱单室宽 箱梁，梁格法的箱梁空间效应能力反映十分有限。 在研究局部区域受力或要进一步精确计算时，必须采取精确的理论分析方法，在 弹性理论的假设范围内，板壳理论是一种精确的分析方法，该理论认为结构是由许多 矩形板汇集在一起的空间体系。它采用板、壳单元对箱梁进行离散，当单元相当密的 时候，可以反映桥梁结构的各种受力行为，如弯曲变形，扭转变形和局部变形。对于 精确分析箱梁的受力特征，板壳有限元能起到比较好的效果。应用板壳有限元分析预 应力混凝土箱梁的难点在于：预应力模拟、预应力损失模拟、施工过程模拟等十分不 便。 过去由于计算分析方法受到计算机性能的限制，通常引入一些假定，用杆系结构 简化桥梁实际结构进行分析。但当桥梁宽跨比较大、截面异形、简化为杆单元的假定 的适用条件不再满足，横截面变形不可忽略时，杆单元就显得无能为力了，必需求助 于三维实体单元。随着计算机和有限元技术的发展，使大型结构分析程序趋于成熟， 三维实体单元分析的优势得以彰显。对于研究箱梁空间效应来说，三维实体单元空间 有限元理论是相比前述方法更为精确的一种方法。目前对预应力混凝土三维实体模型 的分析方法，主要分为两类：分离式和整体式。所谓分离式就是将混凝土和预应力筋 的作用分别考虑，以荷载的形式取代预应力钢筋的作用，典型的如等效荷载法；而整 体式则是将二者的作用起考虑，典型的如a n s y s 中用s o l i d 单元模拟混凝土，l i n k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 单元模拟钢筋的方法，本文即是采用这种方法来分析桥梁结构。有限元法的发展，让 其在桥梁结构分析中的应用带来了可能，有力地促进了结构形式、设计理论和施工方 法的不断创新和发展。从理论角度，有限元法对桥梁结构可进行真正的三维分析，能 较准确地掌握桥梁的静动力特性，从而能保证桥梁结构的安全并降低桥梁造价。随着 计算机的快速发展，有限元法在桥梁结构分析中已经得到的广泛的应用。 另外，在预应力混凝土n 钉桥梁结构的分析计算中，混凝土结构的时效n 行为， 即混凝土的收缩与徐变，也是混凝土桥梁结构设计n 引引计算中的一项重要内容。对这 两方面进行分析时，其计算误差主要来自收缩徐变模式和混凝土时效影响计算方法的 近似理论m 3 。目前，国内外对混凝土的收缩徐变形成了多种理论，提出了各种不同的 计算模式，常用的模式有a c i 、f t e ll s 、c e b f i p 、b p 一2n 7 ”1 9 1 等，各种模式的使用 过程都比较繁琐，随着计算技术的发展，可以以一定的理论为基础，借助有限元软件 来进行分析。本文分析桥梁施工阶段的内力状况，主要关注某一阶段浇注完成后钢筋 张拉后即刻产生的对结构的应力应变影响，故对混凝土时效行为不予考虑。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章预应力混凝土连续箱梁桥施工内力分析与仿真 3 1 预应力混凝土连续梁桥施工过程结构分析方法 大跨度桥梁的施工工艺复杂繁琐，影响因素多，技术要求高，施工中经常会遇到 某些意料之外的问题。要达到施工控制的目的n6 j ，不但要掌握各梁段挠度和内力的总 变化量，而且要掌握各梁段挠度和内力在不同施工阶段的变化量。为了确保大桥施工 的安全和顺利，保证成桥线形及内力满足设计要求，必须对特大桥梁的施工进行严格 监控m 1 ，及时处理各种误差。 大跨桥梁施工结构分析包括结构在各个阶段内力和挠度的计算、各施工阶段控制 参数的计算等。利用有限元结构分析程序进行分析，一般分为五步： ( 1 ) 建立桥梁结构模型； ( 2 ) 桥梁结构的离散； ( 3 ) 输入数据，形成文件； ( 4 ) 运行分析软件： ( 5 ) 结果分析，完成计算书。 结构计算是桥梁监控的理论依据，目前主要有：正算法、倒拆法、无应力状态法瞳订 等。 1 正算法 正算法又称正装计算法，它是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和 受力分析的计算方法，也是应用较多的计算方法。正算法采用与施工相同的顺序，依 次计算各施工阶段结构的施工内力和位移。然后根据一定的计算原则，选择相应的计 算参数作为未知变量，通过求解方程而获得相应的控制参数。只要计算参数选择得当， 结构按正算法所得控制参数和顺序施工完毕时，理论上的恒载内力和主梁线形应与预 定的理想状态基本吻合。 2 倒拆法 倒拆法又称倒装计算法，它是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结 构行为分析的计算方法。它由成桥状态出发，按照与实际施工步骤相反的顺序，进行 逐步倒退计算而获得各施工阶段的控制参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 无应力状态法 无应力状态法也称零弯矩应力法，它是以桥梁结构各构件或单元的无应力长度和 曲率保持不变的原理来进行结构状态分析的。桥梁结构无应力状态只是一个数学目标， 通过它将桥梁结构安装的中间状态和终结状态之间联系起来，为分析桥梁结构各种受 力状态提供了一种有效的方法，无应力状态法较多应用大跨度拱桥和悬索桥上。 本文采用正算法对桥梁结构进行分析计算。 3 2 预应力混凝土连续箱梁桥预应力体系 预应力混凝土结构，根据张拉钢筋的先后，分为先张法预应力混凝土和后张法预 应力混凝土n3 j 。所谓先张法，即张拉钢筋先于构件成型；所谓后张法，即张拉钢筋后 于构件成型，并在张拉后使用特定的锚具对钢筋进行锚固的施工方法。 悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥的施工采用后张法。预应力钢筋的采用心幻需要满 足强度高、具一定塑性、良好的加工性能、良好的粘结力、低松弛、耐腐蚀、稳定性 好等要求。在桥梁设计和施工中，常采用的预应力钢筋主要有高强钢丝、高强粗钢筋、 高强钢管和预应力钢绞线四种。另外，为保证预应力钢筋充分发挥其强度，对结构施 加设计上要求的预应力，相应的桥梁预应力混凝土技术h 钉必须包含完善的预应力筋张 拉锚固体系，具体包括张拉设备、锚具、夹具、连接器及锚下支承系统等。预应力筋 张拉设备，是指使预应力混凝土结构里的钢筋产生并保持预应力的设备，分手动、电 动和液压传动张拉机等；锚具是保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上所用的永 久性锚固装置，是预应力混凝土结构建立永存预应力的关键技术之一。 3 3 连续梁桥悬臂施工中体系模拟假定 在预应力混凝土连续梁桥施工阶段中混凝土多处于线弹性阶段，并且认为混凝土 单元的应力应变状态和荷载的加载路径关系不大，弹性本构关系在连续梁桥的施工仿 真上还是适用的。采用悬臂施工的连续粱桥，只有当合拢后，相应的实际结构才能视 为连续梁桥体系，而按照理论分析心3 1 和设计规范设计出来的设计结构和一个按照施工 图纸和技术规范一步步建造起来的实际结构会有着较大的差异性。这种由于超静定结 构自身或边界条件的改变而引起的结构静力体系的变化称为结构体系的转换比4 j 。对于 同一设计结构，如前所述，可以采用不同的施工方法，但其共同的特点是：梁体分段 施工，桥梁经过若干施工过程后，形成设计的结构体系。即一个预应力混凝土连续梁 总是由简支梁、悬臂梁或少跨连续梁经过体系转换而形成最终的连续梁桥的。因此， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 在任何设计结构的施工过程中都不可避免地存在着体系转换n 7 2 8 2 钉问题。 3 3 1 临时固结的结构模型 连续梁桥的结构模型问题n 朝关键是悬臂施工期间墩顶临时固结的模拟问题。由于 墩顶临时固结的方式很多，而不同的墩顶固结方式会产生不同的成桥线型。在结构分 析时，每一种固结方式都需要简化成一种力学和位移条件与实际相适应的结构模型， 如何选择适当的简化模型，避免施工控制中由于结构模型选择不当引起的计算状态和 实际状态之间的误差，这是施工控制首先要解决的问题。连续梁悬臂施工期的墩顶临 时固结模型因采用种类不同，会产生相应的误差，其特点是：在每一节段的施工中， 各阶段的挠度实测值和计算值很接近，误差不大，因而其原因不易发觉，通常会计入 设计参数误差中而被修正；模型误差引起的线型偏离是伴随结构体系转换而发生的， 因而会形成无法修正