预应力混凝土箱梁整桥力学特性分析

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预应力混凝土箱梁整桥力学特性分析
骆根水，张晓峰，王志，张景飞
(1．中国人民武装警察部队水电第五支队，江苏常州213031； 2．郑州大学力学与T程科学学院，郑州450001)
【摘要】基于大型非线性有限元软件MSC．MARC，建立整桥预应力箱梁三维非线性有限元模型，其中混凝
土采用六面体单元，钢筋采用truss杆单元，预应力通过钢筋单元的初始应力输入施加。模拟分析了整桥在各种汽
车工况荷载作用下的结构力学特性，结果表明：对称的车辆荷载作用下，跨中截面最大主应力较小，偏载的车辆荷
载作用下，跨中截面最大主应力较大，各种工况下最大主应力均小于混凝土抗拉强度，混凝土不会开裂，满足规范
要求。
【关键词】预应力混凝土箱梁；整桥；实体单元
【中图分类号】TU378．2 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2013)04—0068—03
预应力混凝土箱梁具有稳定性好、外形美观等优
点，在现代结构设计中得到广泛应用，已被用于大跨
度刚构桥、城市高架桥以及军用桥梁中．z 。随着电
子计算机的发展，有限元等现代数值分析方法在工程
分析中得到了越来越广泛的应用。同样在钢筋混凝
土结构分析中也显示出这一方法的强大生命力。
商用有限元程序在土木工程领域的混凝土和预
应力混凝土工程中的应用非常普遍，主要的商业软件
有ANSYS，MARC，ABAQUS等。Rabczuk等采用有
限单元法研究了静力荷载作用下的预应力混凝土梁，
混凝土用实体单元进行模拟，钢筋则采用梁单元，计
算模拟的结果与试验数据之间吻合较好。文献[4]对
预应力简支矩形梁进行了有限元分析，总结出了利用
ANSYS分析预应力混凝土结构时的建模技巧以及预
应力施加方法，并将计算结果与理论计算值进行了比
较，但仅限于线弹性阶段的分析，文献[5]利用ANSYS
程序对预应力混凝土简支箱梁进行数值模拟，对该梁
的安全性能进行评价。文献[6]基于大型有限元程序
ABAQUS，在考虑三向预应力的情况下，采用三维实体
单元箱梁整体空间分析模型，对箱梁进行了整体应力
分析，并与采用空间梁单元的计算结果进行了分析对
比。其他利用ANSYS进行桥梁非线性分析的还
有。在非线性有限元软件领域，MARC一直受到业
界的关注，被公认为较好的非线性软件之一，得到
广泛的应用。
本文基于大型非线性有限元软件MSC．MARC建
立预应力混凝土箱梁整桥实体模型，通过不同汽车荷
载工况下的结构力学性能分析，对整桥的承载力状态
进行评估。
1 工程背景
该桥全长为75m，公路桥桥面总宽13．5m，荷载等
级为公路-I级；人行桥桥面总宽3．1m，荷载等级为人
群荷载。上部采用装配式预应力混凝土箱梁结构，如
图l所示，中跨跨径35m箱梁，梁高为1．8m；边跨跨径
20m，梁高1．2m。公路桥横向布置两根中梁及两根边
梁，梁间距3．4m，横向两根箱梁之间采用lm宽湿接
缝形成刚性连接。人行桥横向布置1根边梁。箱梁顶
面均铺0．10m厚的防水混凝土和0．07m厚的沥青混
4 结语
主梁高跨比对主梁在地震作用下的位移，内力有
较大影响，主塔高跨比和拉索间距对主塔位移，内力
影响较大。选择合理的设计参数，对结构桥梁结构抗
震设计有着重要影响。
本文研究仅采用三个控制参数进行分析，其它设
计参数有待进一步考虑；仅考虑一致地震激励下结构
的响应，对多点激励及行波效应等影响有待深入研究。
参考文献
[1] 陈宝存，黄卿维．波形钢腹板Pc箱梁桥应用综述[J]．公路，
2005，7(7)．
[2] 陈宝春，黄玲，吴庆雄．波形钢腹板部分斜拉桥[J]．世界桥梁，
2004，27(3)．
[3] 删一89，公路工程抗震设计规范[S]．
[4] 脚一08，公路桥梁抗震设计细则[S]．
(5】王景全，陈志涛，张建东．波形钢腹板组合粱矮塔斜拉桥力学
特性及热点问题研究【c]∥第十九届全国桥梁会议论文集
(上)．上海：人民交通出版社，2010．
【收稿日期】2012一l2—17
【作者简介】王俊杰(1988一)，男，河北沧州人，硕士研究生，
研究方向：桥梁与隧道工程。
骆根水等：预应力混凝土箱梁整桥力学特性分析
凝土，桥面横向设2％的双向坡，箱梁为A类预应力混
凝土构件设计。
图1某公路桥立面图
2 计算方案
(1) 计算模型。以JTG D60-2004(公路桥涵设
计通用规范》和JTG D62-2004(公路钢筋混凝土和预
应力混凝土设计通用规范》等规范作为依据，利用三
维有限元模型分析桥梁在成桥后的工作状态。根据
设计资料，该公路桥的车行桥部分共由4片20m预应
力箱梁组成，路面宽13．5m，每两片箱梁之间采用现浇
混凝土连接，具体截面形式如图2所示，选C50混凝土，
弹性模量为34．5GPa，泊松比取为0．23，密度为
2500kg／m ，钢筋选HRB335级，弹性模量为200GPa，
泊松比取0．3，密度为7800kg／m ，预应力钢束规格为
4qb
。15．2，抗拉强度标准值为1860MPa，弹性模量取
195GPa，泊松比取0．3，密度取7800kg／m 。
根据设计资料建立三维实体有限元模型，其中汽
车只根据轴距以及接地面积建立轮胎简化模型，轴重
作用在轮胎上，轮胎与桥面设为接触，摩擦系数为
0．3，简化的轮胎采用六面体单元，如图3所示，其中
桥梁混凝土采用六面体单元，共计21960个单元，钢筋
采用truss杆单元，共计个37419单元，预应力钢绞线
采用truss杆单元，共计960个单元