体外预应力装配式桥墩设计方案

1、中国科技论文在线体外预应力装配式桥墩设计方案及有限元分析 龙炳煌，杨俊荣作者简介：龙炳煌，武汉理工大学教授，国家一级注册结构工程师通信联系人：杨俊荣，武汉理工大学结构硕士研究生，主要从事结构理论理和计算方法. E-mail: Civil Engineering and Architecture of Wuhan University of Technology,Wuhan 430070;Civil Engineering and Architecture of Wuhan Univ

2、ersity of Technology,Wuhan 430070武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070;武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070430070;43007015307120888;1517247234861265889北省武汉市武昌武汉理工大学马房山校区土木馆203;湖北省武汉市武昌武汉理工大学马房山校区西院土木馆203binghuang_;龙炳煌，武汉理工大学教授，国家一级注册结构工程师;杨俊荣，武汉理工大学结构硕士研究生，主要从事结构理论理和计算方法龙炳煌;杨

3、俊荣Long Binghuang;Yang Junrong杨俊荣1.51.51*|*期刊*|*倪娜、龙炳煌, 街道口立交桥采用装配式桥梁的可行性研究J.武汉理工大学,2010.2*|*期刊*|*Clifford, L.F, Ten Years of Segment Achievements and Projections for the Next CenturyJ,PCI Journal n.3 May-June 1999,PP.36-52.3*|*期刊*|*U.S. Department of Transportation Federal Highway

4、Administration. Connection Details for Prefabricated Bridge Elements and Systems. HIGHWAYS FOR LIFE. March 30, 20094*|*期刊*|*严国敏. 日本角岛大桥的设计与施工J. 国外桥梁, 1997, (04) .5*|*期刊*|*严国敏 诺森伯兰海峡大桥-加拿大的一座跨海特大桥的计划、设计与施工J 国外桥梁 1997（02）6*|*期刊*|*彭放. 新型预应力装配式桥墩的应用J. 华南港工, 1994, (02)7*|*论文集*|*杨寿忠, 陈明华, 李斌, 张天许. 节段桥梁技术在

5、重庆市新牌坊立交桥中的应用A. 第十七届全国桥梁学术会议论文集（上册）C, 20068*|*期刊*|*张永明, 等, 黄洲大桥水中承台预制安装施工. 世界桥梁, 2004; 32.( 03) : 18- 209*|*期刊*|* 官权.珠江大桥预制承台施工. 科学技术与工程.2009,(18)10*|*期刊*|*王志强,葛继平,魏红一. 东海大桥预应力混凝土桥墩抗震性能分析J. 同济大学学报(自然科学版), 2008, (11)11*|*期刊*|*曾平喜 唐衡 冯永明 .杭州湾跨海大桥预制墩身施工技术2005年全国桥梁学术会议论文集12*|*期刊*|*周国民,赵旌玮,陈广巧.金塘大桥中国内跨海桥

6、梁新型墩身首次施工技术的应用 安徽建筑2008-06-0213*|*期刊*|*余海堂. ANSYS在体外预应力混凝土结构非线性分析中的应用J. 铁道勘测与设计, 2007,(01) .14*|*期刊*|*李广民,任德记,高阳峰. 预应力钢绞线模拟分析与应用J. 水利科技与经济, 2007, (10) .15*|*期刊*|*中华人民共和国行业标准. GB50007-2002.建筑地基基础设计规范. 北京：中国建筑工业出版社，200216*|*期刊*|*江祖铭,王崇礼.公路桥涵设计手册墩台与基础. 北京：人民交通出版社，1992|1|龙炳煌|Long Binghuang|武汉理工大学土木工程与建筑

7、学院，武汉 430070|Civil Engineering and Architecture of Wuhan University of Technology,Wuhan 430070|龙炳煌，武汉理工大学教授，国家一级注册结构工程师|湖北省武汉市武昌武汉理工大学马房山校区土木馆203|430070|binghuang_|61265889|2|杨俊荣|Yang Junrong|武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070|Civil Engineering and Architecture of Wuhan Universi

8、ty of Technology,Wuhan 430070|杨俊荣，武汉理工大学结构硕士研究生，主要从事结构理论理和计算方法|湖北省武汉市武昌武汉理工大学马房山校区西院土木馆203|430070|15172472348体外预应力装配式桥墩设计方案及有限元分析|A scheme and FEA of prefabricated bridge piers with external prestressing|- 9 -（武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070）E-mail：摘要：为了加快城市桥

9、梁施工速度、缓解交通拥堵、减轻环境污染，本文提出了一种体外预应力装配式桥墩设计方案，并用ANSYS有限元分析软件对其进行计算分析。结果表明,这种桥墩合理可行，有关结论可供设计者参考使用。关键词：体外预应力，装配式桥墩，有限元分析 中图分类号：TVA scheme and FEA of prefabricated bridge piers with external prestressingLong Binghuang, Yang Junrong(Civil Engineering and Architecture of Wuhan University of Technology,Wuhan

10、430070)Abstract: To accelerate the urban bridge construction, ease traffic congestion and reduce environmental pollution, .a scheme of prefabricated bridge piers with external prestressing was presented in this paper. ANSYS finite element analysis software was used to calculate this piers. The concl

11、usion shows the piers are reasonably practicable and can be used and referred for the designers.Key words: external prestressing; prefabricated bridge piers; Finite element analysis0 引言城市立交桥施工工艺落后，施工周期长，造成交通拥堵、环境污染，已经成为制约经济社会发展的重大问题。例如，武汉市街道口高架桥（长约1.5公里）1，该工程于2007年6月开工，2010年11月通车，工期3年零5个月，平均每周架桥9m。而

12、1992年美国建成的Mid-Bay（桥长5782m）和1998年建成的Garcon-Point跨海大桥（桥长5920.74m），采用装配式桥梁施工工艺的架桥速度分别为每周架桥290m和299m2。早在20世纪60年代，装配式桥墩就已经开始在欧美等发达国家使用。1955年，在美国新奥尔良Pontchartrain桥中，首次采用了预制混凝土桥墩及承台。1966年，在美国弗吉尼亚州的切萨皮克海湾大桥中，采用后张预应力，将预制盖梁与预制墩身连接为整体3。进入90年代，桥墩的装配式施工工艺已经得到广泛应用。代表性的工程有：1992年，福罗里达州修建的爱迪生桥，预制墩与盖梁之间采用钢筋灌浆耦合方式连接 3

13、；1993年，日本角岛大桥，采用预制PC井筒拼装技术架设桥墩4；1997年，加拿大的诺森伯兰海峡大桥，在墩身和承台之间设置剪力键，采用高强度压浆以及U形预应力钢索 5；2005年，新泽西州的马纳斯广河桥，预制桥墩与预制盖梁采用螺纹钢连接3；2007年，德克萨斯州贝尔顿湖桥，墩与盖梁的连接首次采用嵌入式后张管道灌浆施工方法。国内采用装配式桥墩，是从20世纪90年代开始发展起来的。最早采用预制承台和预制墩身的工程，是1994年4月开工的新奥氹大桥，其承台为预制空腔挂箱，通过浇注混凝土使承台与桩基连为整体，预制墩为工字型截面，截面预留10根螺纹高强钢筋孔道，螺纹高强钢筋预埋在承台中，通过张拉螺纹钢，

14、与预制墩拼装为整体，如图1所示，张拉控制应力为85%钢筋屈服应力 6。采用预制承台的工程还有：黄州大桥7，珠江大桥8。采用预制墩身和盖梁的工程有：1996年3月开工的红磡快速路工程，该工程通过张拉预应力钢绞线，将预制构件连为整体，并获得香港工程师学会结构部暨英国结构工程师学会奖状9。2002年东海大桥标段，2003年的杭州湾跨海大桥，2005年的金塘大桥，其预制墩身与承台连接均采用了现场湿接头施工技术 1011 12。预制桥墩构件常用的连接方法一般有两种：一种是在构件接触处通过环氧树脂和后张预应力实现连接；另一种是在构件接触处将普通钢筋植入连接耦合器中实现构件的连接。A 桩基承台大样B 桥墩立

15、面图C 桥墩截面大样图1 新奥氹大桥预制桥墩本文提出一种体外预应力装配式桥墩。这种桥墩可以在工厂生产，现场拼装，具有施工速度快、环境污染小的优点。并且有利于桥梁的监测、维护和拆除，预制构件可以循环利用，符合节能减排的要求。本文拟采用ANSYS有限元分析软件，对这种桥墩进行计算分析，了解这种桥墩的受力状况，为这种桥墩的设计提供参考依据。1装配式桥墩设计方案这种装配式桥墩，由承台、墩身、盖梁三个预制构件组成，如图2、图3所示。在现场通过施加预应力将其拼装成整体。在预制构件接缝处涂抹环氧树脂。基础承台为箱型构件。墩身为薄壁矩形空心墩。盖梁为梯形构件。盖梁和承台留有施工检修孔。预应力张拉端和锚固端设置

16、预埋钢板。盖梁顶部设置有四个支座预埋件。预制构件采用C50混凝土，非预应力钢筋采用HRB335，预应力钢筋采用17，直径为15.2mm，强度标准值为1860MPa的钢绞线，张拉控制应力，预应力损失为181.35MPa。这种装配式桥墩的施工工序为：打桩，浇筑混凝土垫层，安装承台，安装墩身，安装盖梁，张拉预应力钢筋，浇注承台箱体内混凝土。图2 横桥向剖面图图3 顺桥向剖面图2、桥墩内力计算2.1桥墩荷载组合图4 支座平面图桥墩使用阶段为桥面正常通行阶段，依据文献16，进行桥墩截面设计时，墩顶有三种荷载工况。工况一：桥梁自重，两跨桥面满布汽车荷载。工况二：桥梁自重、一跨桥面布满汽车荷载。工况三：桥梁

17、自重，两跨1/2桥面布满汽车荷载。支座平面如图4所示，单个支座为600mm600mm，墩顶荷载布置如表1所示。表1 墩顶荷载设计值工况支座编号（kN）等效荷载A1A2A3A4轴力（kN）弯矩（kNm）工况一2913.732913.732913.732913.7311654.92-工况二2268.002268.003335.663335.6611207.311067.66工况三2268.004053.812268.004053.8112643.626250.342.2 墩身1/2高度处截面的内力和应力计算支座、盖梁和墩身的自重分别为10.76kN，379.20kN和504.90kN。钢绞线为8孔

18、，每孔7根17，直径为15.2mm，面积为140mm2,有效预应力为1027.65Mpa，总有效预应力为8056.78kN，墩底截面面积为3.06m2。根据上述三种荷载设计值得出墩身1/2高度处截面的内力和应力：工况一：N=11654.92+1.2(10.76+379.2+504.9/2)+8056.78=20482.59kN，=Mpa工况二：Iy=2.12m4 , y=1.1mN=4536+6671.31+1.2(10.76+379.2+504.9/2)+8056.78=20034.98kNMy=0.5(6671.31-4536)=1067.66 kN m=工况三: Ix=4.61m4 ,x

19、=1.75mN=8107.62+4536+1.2(10.67+379.2+504.9/2)+8056.78=21471.18kN，Mx=1.75(8107.624536)=6250.34kN m=3、桥墩有限元分析3.1 有限元模型 3.1.1 单元选择 （1）钢筋混凝土单元SOLID65单元是专门模拟含钢筋或不含钢筋的三维实体单元13。该单元是具有八个节点的六面体，每个节点有x，y和z三个方向的自由度，还可以采用实常数对三个方向的配筋率进行定义。本文盖梁、墩身和承台采用SOLID65单元，并通过配筋率定义实常数。（2）体外预应力钢绞线单元体外预应力钢绞线可采用Link8，该单元由两个节点组成

20、，每个节点具有沿节点坐标系x、y、z方向平动的三个自由度。LINK8单元只能承受单轴的拉压，不承受弯矩，可以用来模拟预应力钢绞线，普通钢筋，桁架，垂缆，杆件，弹簧等。LINK8单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变、单元生死等功能。预应力的模拟可以采用初应变法或降温法。初应变法是在钢筋单元的实常数中设置初始应变的数值，即，是预应力筋的初应变，=是有效预应力；P是预应力施加值，A是预应力筋的截面面积，E为预应力筋的弹性模量。（3）钢垫板单元SOLID95单元是3维空间20节点实体，每个节点具有x、y、z方向三个平动自由度。该单元具有空间的任何方向，能够用于不规则形状，而且不会在精度上

21、有任何损失，并且可以自由提供多种输出选项。3.1.2 单元划分与节点耦合图5 整体模型钢筋混凝土和钢绞线采用分离式建立几何模型，为了单元划分规整，盖梁、墩身和承台采用分别独自划分，通过采用耦合方程将钢绞线单元的节点和最近的实体单元节点一一耦合为整体。本设计采用体外预应力钢绞线，因此，只需把钢绞线端部节点与混凝土节点耦合为整体14。划分网格和耦合后的整体模型如图5所示。3.1.3 单元生死对承台的分析分为两个阶段，施工阶段和使用阶段。施工阶段时，承台空腔中未浇筑混凝土，不需考虑该部分的混凝土自重；使用阶段时，承台与桩以通过灌注混凝土连接为整体，此时灌注的混凝土应为激活状态。第一个载荷步为承台的施

22、工阶段，应该将承台中的灌注混凝土单元杀死。选中该部分混凝土单元，然后用“EKILL，ALL”命令将这些单元杀死。单元在载荷步的第一个子步被杀死后，将在整个载荷步中保持该状态。!第一个载荷步time,1 !设定时间值nropt,full !设置牛顿拉夫森选项estif,1.0e-7 !设定非缺省缩减因子nsel,s,loc,z,-8.3,-6.850nsel,r,loc,x,-1.150,1.150nsel,u,loc,y,-1.8,1.8nsel,a,loc,x,1.150,2.650nsel,r,loc,y,-2.650,2.650nsel,r,loc,z,-8.3,-6.850nsel,a

23、,loc,x,-2.650,-1.150,nsel,r,loc,y,-2.650,2.650nsel,r,loc,z,-8.3,-6.850 !选择在本载荷步中将被杀死的节点esln,s !挑选已选节点上的单元ekill,all !杀死选择的单元第二个载荷步为承台的使用阶段，需要重新激活承台内部的灌注混凝土单元。将第一个荷载步中”杀死”的单元，用“EALIVE,ALL”命令重新激活。然后在第一个荷载步约束基础上，再施加支座上的面荷载。3.2 约束条件桥梁基础采用桩基础，承台与桩通过现场浇筑混凝土成为整体，竖向荷载作用下的分析不建立桩模型，在桩与承台的连接部位约束所有方向的自由度。本文把直径为d

24、圆桩换算成了边长为0.866d的方桩15，d=1300mm。通过约束方桩施加整个模型的边界条件。命令流如下：wpcsys,0nsel,s,loc,z,-8.600nsel,r,loc,y,-2.313,-1.187nsel,r,loc,x,-2.313,-1.187d,all,all,0nsel,s,loc,z,-8.600nsel,r,loc,x,-2.313,-1.187nsel,r,loc,y,1.187,2.313d,all,all,0nsel,s,loc,z,-8.600nsel,r,loc,x,1.187,2.313nsel,r,loc,y,1.187,2.313d,all,all

25、,0nsel,s,loc,z,-8.600nsel,r,loc,x,1.187,2.313nsel,r,loc,y,-1.187,-2.313d,all,all,03.3 计算结果分析用Ansys软件后处理功能，分别提取三种工况作用下，桥墩的变形、z向应力，钢绞线应力，如图6-9所示。桥墩z向位移云图横桥向z向应力云图墩身1/2高度处z向应力云图图 6 工况一计算结果桥墩x向位移云图顺桥向z向应力云图墩身1/2高度处z向应力云图图7 工况二计算结果桥墩y向位移云图横桥向z向应力云图墩身1/2高度处z向应力云图图8 工况三计算结果在工况一荷载作用下，桥墩z向的位移最大值发生在墩顶，其值为1.68

26、mm。横桥向墩身应力值为-5.54MPa，墩身1/2高度处压应力为-6.42MPa-6.53MPa，均小于混凝土强度设计值。钢绞线端部混凝土压应力为-9.45Mpa-29.0MPa，最大拉应力为6.19MPa ，均超过了混凝土强度设计值。在工况二荷载作用下，桥墩x向的位移最大值发生在墩顶顺桥向荷载较小一侧，其值为0.61mm。顺桥向墩身应力值为-5.20MPa-7.31MPa。顺桥向墩壁处于受压状态，未出现拉应力。墩身1/2高度处压应力为-5.79MPa-6.93MPa，压应力在顺桥向依次增大，但均小于混凝土的抗压强度设计值。钢绞线端部混凝土压应力为-0.98MPa-8.36MPa，最大拉应力

27、为1.13MPa ，均未超过混凝土强度设计值。在工况三荷载作用下，桥墩y向的位移最大值发生在墩顶横桥向荷载较大一侧，其值为1.65mm。横桥向墩身应力值为-1.55MPa-13.4MPa。处于受压状态，未出现拉应力。墩身1/2高度处压应力为-4.47MPa-9.10MPa，压应力在横桥向依次增大，均小于混凝土的抗压强度设计值。钢绞线端部混凝土压应力为-13.4Mpa-29.2Mpa，最大拉应力为6.34MPa ，均超过了混凝土强度设计值。ANSYS提取的墩身1/2高度处压应力如表2所示，通过与材料力学计算结果对比，表明两种计算方法的结果比较接近。表2 墩身1/2高度处压应力 (MPa)计算方法

28、工况一工况二工况三平均应力最大应力最小应力最大应力最小应力材料力学6.486.935.799.104.47Ansys6.697.105.999.394.64材料力学/ Ansys0.970.980.970.970.96在工况一荷载作用下，钢绞线应力为990994MPa，钢绞线应力差为4MPa，钢绞线应力平均值992.1MPa，与有效预应力相差35.55MPa。在工况二荷载作用下，钢绞线应力为990996MPa，顺桥向应力差为6MPa，钢绞线应力平均值992.9MPa，与有效预应力相差34.75MPa。在工况三荷载作用下，钢绞线应力为981997MPa，横桥向应力差为16MPa，钢绞线应力平均值

29、989.2MPa，与有效预应力相差38.36MPa。工况一工况二工况三图9 钢绞线应力云图4结论通过ANSYS分析，得出以下主要结论：（1）桥墩的最大位移发生桥墩顶部。最大竖向位移发生在工况一，其值为1.68mm。顺桥向最大水平位移发生在工况二，其值为0.61mm。横桥向最大水平位移发生在工况三，其值为1.65mm。（2）在预应力和三种荷载工况作用下，墩身应力为-1.55MPa-18.3MPa，均处于受压状态，未出现拉应力。最大压应力接近但未超过混凝土的抗压强度设计值。桥墩的设计方案合理可行。（3）在预应力和三种荷载工况作用下，预应力钢绞线的应力范围为981MPa997MPa，均小于其抗拉强度设计值。钢绞线之间的应力差为4MPa16MPa，与有效预应力应力差为34.75MPa38.36MPa。（4）在钢绞线端部的最大压应力为-29.2MPa，最大拉应力为6.34MPa ，均超过了混凝土的强度设计值，设计时应进行加强处理。参考文献 (References)1 倪娜、龙炳煌, 街道口