预应力混凝土连续箱梁桥开裂的三维仿真分析0

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发布时间：2021-09-04

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预应力混凝土连续箱梁桥开裂的三维仿真分析
杨允表
(合乐中国有限公司，上海市200051)
摘要：建立三维实体有限元仿真模型来分析某工程其中1联4×30 m四跨连续箱梁桥在施工过程出现裂缝的原因。在实桥分
析前，三维仿真模型与空间梁单元模型进行比较，结果比较非常吻合，验证了三维仿真模型的正确性。在实桥分析中，考虑了具体
的施工过程，对该桥结构在施工阶段的受力状态进行全面分析，对箱梁的开裂进行了相应的模拟，得到的计算结果合理地分析了
箱梁开裂的原因。
关键词：预应力混凝土箱梁；开裂原因；非线性有限元；实体单元；仿真分析
中图分类号：U448．21+5 文献标识码：B 文章编号：1009—7716(2014)12—0042—04
1 工程概况
近几年来，预应力混凝土箱梁结构在城市大
型立交与高速公路互通立交中的运用越来越广；
但是，由于工程建设周期的压缩，设计与施工时间
的紧促，许多工程发生了预应力混凝土箱梁结构
在施工阶段或运营阶段出现开裂的现象。例如，某
高速公路项目的一个大型互通立交在箱梁施工过
程中出现了裂缝，裂缝的发生位置基本位于连续
箱梁边跨支座附近区域的箱梁腹板与底板上，距
离支座约0—6 m范围内，裂缝的开展方向为竖向
及斜向裂缝为主，并伴随有杂乱裂缝区域。设计规
范Ⅲ规定，一般按全预应力或A类构件设计的预应
力混凝土箱梁不允许出现裂缝；所以，对于已经出
现裂缝的箱梁结构，技术人员应该不以回避，要加
强结构分析，必须对出现裂缝的原因进行充分的
分析，以评估结构在运营阶段的安全性和耐久性。
以上述互通立交中的1联4跨连续等高度箱
梁结构为例，来分析出现裂缝的原因。该联结构跨
径布置为4×30 m，总长度为120 m，梁高H=I．8 m。
主梁采用预应力混凝土连续箱梁，箱梁混凝土采
用C50。箱梁单幅桥面宽l6．55 m，采用单箱三室
横断面，其中顶面宽16．55 m，底板宽10．65 m，两
侧翼缘板悬臂宽2．5 m。梁体腹板、顶底板处均设
置纵向预应力束，预应力钢绞线采用 15．2钢绞
线，其中腹板的钢束规格采用17 15．2的钢绞线，
顶、底板的钢束规格采用15 s15．2的钢绞线。
该联结构的左幅箱梁靠近桥台一端，左侧外
腹板在距端部2．5 m、4．4 m位置各有一道裂缝，缝
收稿日期：2014—09—02
作者简介：杨允表(1969一)，男，浙江宁波人，高级工程师，从事
桥梁结构设计、施工和科研工作。
宽分别为0．1 mm、0．05 mm，右侧外腹板距端部
3．385 m处一道裂缝，缝宽0．075 mm；靠近边墩一
端，左侧外腹板距端部3．8 m位置一道裂缝，缝宽
0．05 mm。右幅箱梁靠近桥台左侧外腹板3．04 m、
4．44 m位置各一道裂缝，缝宽均为0．075 mm；右侧
外腹板2．5 m、4．26 m位置各一道裂缝，缝宽分别为
0．075 mm、0．1 mm；靠近边墩一端暂未发现裂缝。
根据箱梁裂缝分布的检查情况，选取该联结构
的左幅连续箱梁，采用大型通用有限元软件
ANSYS进行三维空间实体有限元仿真分析，来合
理分析箱梁在施工过程出现裂缝的原因。
2 三维仿真模型的建立
箱梁结构实体几何模型见图1，单元划分全部
采用高精度的规则六面体单元(箱梁标准截面的网
格划分见图2)，非线性开裂分析采用混凝土材料
专用的SOLID65单元。
图1 箱梁结构的实体几何模型
图2 箱梁结构标准截面的网格划分
需要说明的是，ANSYS的SOLID65单元具有
八个节点，每个节点有三个自由度，即x,y、z三个
方向的线位移，并可对三个方向的含筋情况进行定
义。由于具有开裂与压碎的性能，该单元最重要的