PC连续梁桥悬浇阶段单箱双室腹板

PCPC 连续梁桥悬浇阶段单箱双室腹板连续梁桥悬浇阶段单箱双室腹板 预应力钢束空间效应分析预应力钢束空间效应分析 杨昀 1 李武龙2 1 交通部公路科学研究所 2 河海大学工程力学系 摘摘 要要 某预应力混凝土变截面连续梁桥 主梁为单箱双室箱梁 采用挂篮悬臂浇筑施工 本文采用 BridgeKF2 0 有限元软件对箱梁腹板进行局部分析 得知不张拉竖向预应力筋而继续悬臂挂篮施工 容易 造成腹板下部出现裂缝 关键词关键词 箱形梁 BridgeKF 腹板 裂缝 一 概一 概 述述 预应力混凝土箱梁以其价廉 美观 抗弯扭性能好等优点在桥梁工程中得到到广泛应用 但箱梁桥普遍出现跨中下挠和箱梁裂缝 近年来 国内对大跨连续箱梁梁桥腹板竖向预应 力钢束空间效应研究日渐关注 目前的研究主要通过三维有限元程序实体建模 计算分析 腹板竖向钢束预应力作有的竖板竖向应力分布规律 认为腹板竖向钢束张拉与否是致使腹 板混凝土产生裂缝的主要原因 本文介绍的案例是一座跨径布置为 60 60 60m 三跨预应力混凝土连续梁桥 采用 C55 混凝土 主桥分成上 下行两幅 每幅均为独立的单箱双室斜腹板断面 箱梁顶宽为 18 55m 底面宽为 9m 翼缘板悬臂长度为 3 75m 翼缘板端部厚为 0 2m 根部厚 0 6m 底板厚度是二次抛物线变化 其中支座附近是 0 75m 腹板厚度 0 6m 跨中设有横隔板 见图 1 该桥主梁采用挂篮悬臂施工 悬臂浇筑节段按长度 3 5 2 0 3 5 3 5m 划分 80 20 80 20 80 20 80 20 1855 20 60 87 1 50 87 87 1 20 50 75 60 598 6 41 3 60 60 60 75 375 102 5 900 102 5 375 200175 66 1 150156 415060150156 4150 66 1 175200 150 34 150 40150 40 150 34 图 1 箱梁 1 号块截面 单位 cm 二 箱梁腹板的受力特点二 箱梁腹板的受力特点 箱梁腹板在荷载作用下 腹板上任一点的应力状态见图 2 一般情况下有 0 2 即箱梁腹板处于平面应力状态 该点主应力可表示为 2 2 3 1 4 2 1 2 1 yxyx b 1 3 y x dx dy z o a z y x 图 2 箱梁腹板应力状态 其实 除与活载直接接触的顶板局部外 箱梁各板件均在其自身平面内处于二向应力 状态 因此 要确切分析箱梁的受力特性 就要精细考虑上述因素的空间分析方法 三 单元选择三 单元选择 根据要求 选择单元应满足如下要求 能整体计入竖向预应力效应 梁格单元或曲梁 单元能够计算纵向和环向预应力效应 不能计入竖向预应力 从理论上讲 只有应用实体 单元模拟连续刚构桥才能真正做到仿真分析 本文用交通部公路科学研究所研发的桥梁三维预应力空间分析系统 BridgeKF2 0 进行 计算 BridgeKF 系统是一个有限元综合分析系统 它的核心单元采用空间 8 节点实体单元 可以有效地模拟各种复杂结构 如空心板 T 梁 箱梁及横隔板 加腋部分 如三叉结构 锚碇等 BridgeKF 系统的特点是专业性强 尤其是结构预应力分析 无论建模还是计算均 能体现桥梁结构的特殊要求 如预应力与结构耦合作用机理 比现有程序 系统的处理方 法更接近于实际情况 应该说 结构预应力 三向 分析是 BridgeKF 系统的主要特点 是该 项目的主要创新之处 此外 实体单元可以分阶段计算预应力也是 BridgeKF 系统的特色 实体单元 图 3 的坐标变换式为 8 1 8 1 8 1 i ii i ii i ii zNz yNy xNx 图 3 8 结点单元 其中形函数 i 1 8 式中 xi yi zi为结点 i 处的整体坐标 i i i为结点处的局部坐标 BridgeKF 软件里面这种实体单元中允许包含了混凝土和钢束两种材料单元 把这两种 1 1 1 8 1 iiii N 单元的刚度矩阵加以组合 即得到钢束混凝土单元的刚度矩阵 即 gh kkk 式中 为钢束混凝土单元刚度矩阵 k 为混凝土单元刚度矩阵 h k 为钢束单元刚度矩阵 g k 设混凝土单元中包含有一根钢束单元 两端点的编码为 i 和 j 如图 4 所示 以钢束方 向为轴建立局部坐标系 它们与整体坐标系 x y z 的坐标变换矩阵为 x zyx 其中 cos jij i x x 图 4 包含钢束的混凝土单元 通过推导得到钢束的附加刚度矩阵 这里的矩阵如下 B 22 111111 ln NNNNNN Bllmmlmmn xyzxyz 2 111 NNN nlnmn xyz 其中 l m n 为方向余弦 即为矩阵中的第一行元素 A E 分别为钢束的面积和 T 弹模 是沿钢束方向的局部坐标 四 局部空间分析四 局部空间分析 为确定裂缝与施工过程的关系 对该桥进行局部受力分析 采用 BridgeKF2 0 有限元空 x y z 332313 322212 312111 T dhBAEBk T g 1 1 222 zyx h 间分析软件进行分析 分析腹板下部的竖向应力与主应力 竖向预应力钢筋分布在 3 个腹 板中 每个腹板两排 每隔 0 5m 布置作用点 同时 中间腹板竖向预应力为直筋 边侧腹 板竖向预应力为斜筋 混凝土用实体单元来模拟 输入各项实际参数 包括预应力参数 并考虑预应力损失 建立主桥 0 3 号块模型 0 号块墩底固结 模型如下图 图 5 所示 单元横截面划分如下图 6 所示 预应力布置如下图 7 所示 图 5 实体单元模型 图 6 截面剖分单元图 图 7 预应力筋布置 荷载 1 结构自重 荷载 2 挂篮荷载 每室两侧各 400KN 荷载 3 张拉 竖向预应力粗钢筋 荷载 4 顶板升温 20 度 底板和腹板温度不变 对荷载进行组合 得到如下荷载工况 工况 1 荷载 1 工况 2 荷载 1 荷载 2 工况 3 荷载 1 荷载 4 工况 4 荷载 1 荷载 2 荷载 3 工况 5 荷载 1 荷载 2 荷载 4 本文采用实体单元模型 对某变截面单箱单室连续梁桥通过 BridgeKF2 0 软件进行分 析计算 不同荷载工况的计算结果见下表 1 所示 由于腹板下部应力最大 取腹板最下部 结点为取值点 表 1 BridgeKF2 0 软件 计算分析结果 Mpa 中腹板 中侧 中腹板 外侧 工况 最大竖向应力最大主应力最大竖向应力最大主应力 10 080 220 120 26 21 291 361 651 76 30 280 980 241 05 40 430 590 550 77 5 0 450 79 0 640 75 边腹板 中侧 边腹板 内侧 边腹板 外侧 工 况 最大竖向应 力 最大主应 力 最大竖向应 力 最大主应 力 最大竖向应 力 最大主应 力 10 020 140 10 2 0 050 12 20 580 651 762 03 0 36 0 07 30 020 950 641 47 0 60 56 4 0 450 120 91 16 1 370 1 5 0 80 63 0 131 13 1 520 28 从以上结果可以看出 1 在结构自重与升温 20 度的共同作用下 3 号节段腹板下部的竖向应力会出现拉 应力 中腹板为 0 28Mpa 边腹板为 0 64Mpa 最大主拉应力值 中腹板为 1 05Mpa 边腹 板为 1 47Mpa 根据规范要求 该桥混凝土抗裂验算 在短期效应组合下 拉应力允许值 为 1 37Mpa 可见 结构自重与温度变化的相互作用致使下部出现裂缝的可能性很小 但 在边腹板下部可能会出现裂缝 2 未张拉竖向预应力筋而继续施工 在自重与挂篮后锚力的相互作用下 3 号块 腹板下部出现竖向拉应力 中腹板最大值为 1 76Mpa 边腹板最大值 内侧主拉应力 为 2 03Mpa 超出规范限值 可见 未张拉竖向预应力筋而继续施工是致使腹板内侧出现斜 裂缝的最大原因 3 若张拉竖向预应力后 才继续悬臂挂篮施工 并考虑预应力损失 但结果表明 3 号块中腹板竖向应力最大值为 0 45Mpa 边腹板主拉应力内侧最大值 0 13Mpa 外侧受 压 1 52Mpa 在规范允许的范围之内 而中腹板主拉应力最大值为 0 79Mpa 边腹板主拉 应力内侧最大值 1 13Mpa 外侧为 0 28Mpa 也在允许的范围之内 从而进一步确定 未 张拉竖向预应力而继续施工是不合理的 会致使裂缝的出现 五 结论与建议五 结论与建议 通过空间效应分析可知 不张拉竖向预应力筋而继续悬臂挂篮施工 是造成腹板下部 出现斜裂缝的最大原因 建议 1 须先张拉前一块的竖向预应力 才能移动挂篮进行下一节段的施工 2 每浇注完一个节段 应做好充分的养护 保持箱梁各部分温度的稳定 尽量减 少因环境温度变化而产生的应力 3 对现有裂缝 观察其发展 若确定其不再发展 即对其进行封闭处理 参参 考考 文文 献献 1 朱汉华 预应力混凝土连续箱梁裂缝分析与防