整澆裝配式體外預應力橋梁設計方案及有限元分析

1、整澆裝配式體外預應力橋梁設計方案及有限元分析    整澆裝配式體外預應力橋梁設計方案及有限元分析龍炳煌，姜正良*作者簡介：龍炳煌，（1955-），男，武漢理工大學教授，國家一級注冊結構工程師，國家司法鑒定人，主要從事建筑抗震減震研究. E-mail:  工速度分別為每周架橋290m 和299m3。2002 年日本建成了古河高架橋（見圖1），將節(jié)45 段箱梁頂板改成外伸梁，箱梁自重得到一定程度地減輕4。圖1 日本古河高架橋箱梁構件國內(nèi)體外預應力預制節(jié)段拼裝施工技術，是從20 世紀90 年代開始發(fā)展起來的。代表性的工程有：2001 年竣工的瀏河大橋

2、，為首次采用預制節(jié)段架橋機整跨拼裝施工技術的體外預應力混凝土簡支梁橋。2004 年竣工的上海滬閔高架橋，為采用預制節(jié)段架橋機整跨拼裝50 施工技術的體外預應力混凝土連續(xù)梁橋5。體外預應力預制節(jié)段拼裝施工技術，具有施工質(zhì)量能夠保證、施工速度快、對周圍交通和環(huán)境影響小的優(yōu)點。但目前在我國并沒有得到廣泛地推廣，主要原因是節(jié)段尺寸大，一般預制廠難以生產(chǎn)。構件的自重大，對運輸和安裝設備要求高，接縫處漏水及結構整體性差也是其不足之處。55 本文擬提出一種體外預應力整澆裝配式橋梁設計方案。這種橋梁可以在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場拼裝，具有施工速度快、環(huán)境污染小的優(yōu)點。同時這種橋梁采用整澆裝配式橋面，解決了節(jié)段拼裝橋梁接

3、縫處漏水及結構整體性差的問題。本文運用規(guī)范對這種橋梁進行設計，并用ANSYS 對其進行有限元分析，了解這種橋梁的受力狀況，為這種橋梁的設計提供參考依據(jù)。1 整澆裝配式橋梁設計方案60 這種裝配式橋梁由箱型框架、槽板和橋面板三種構件組成，通過現(xiàn)場施加預應力拼裝成整體。箱型框架編號為L1、L2。其中L2 用于順橋向兩端支座。槽板編號為L3。橋面板編號為B1、B2，其中B1 用于橋面橫橋向中部，B2 用于橋面橫橋向兩邊，截面尺寸如圖2 所示。橋梁跨度30m，寬度18m，高度2.4m，可用于雙向四車道城市立交橋。這種橋梁的施工順序為：先進行構件的制作和運輸，再通過架橋機或地面支撐結構安裝65 箱型框架

4、和槽板，然后施加體外預應力形成中間承重結構，如圖3 所示。再鋪設橋面板、綁扎上部鋼筋、澆筑橋面混凝土，形成整澆裝配式橋面結構。圖2 構件截面尺寸（mm） 圖3 體外預應力形成的中間承重結構 2 橋梁結構設計70 依據(jù)文獻7，這種橋梁應進行下列計算：持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算、持久狀況構件應力計算。橋梁的設計安全等級為二級，重要性系數(shù)0 =1.0?；炷翞镃50，縱向擬采用14 根的預應力筋，每根為12 股1×7 的鋼絞線，單股直徑為15.2mm，Ap=140mm2?？v向張拉控制應力con=1302Mpa，有效預應力pe=1115.22MPa，

5、極限預應力設計值pu =1215.22MPa；橫向75 張拉控制應力con=1395Mpa，有效預應力pe=1182.06MPa。預應力筋合力點離底板100mm，橋的剖面及預應力筋布置如圖4、5、6 所示。截面面積6355500mm2；截面慣性矩5226053710500mm4；形心位置1630mm（離底板）。圖4 順橋向剖面圖圖5 橫橋向剖面圖80端部 中部圖6 預應力筋橫向布置圖2.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算橋梁持久狀況承載力極限狀態(tài)計算包括正截面抗彎承載力和斜、正截面抗剪承載力計算，荷載采用組合設計值。85 2.1.1 正截面抗彎承載力橋梁采用干接縫節(jié)段式體外預應力結構，普通受力鋼

6、筋縱向不連續(xù)，故計算時不考慮普 通鋼筋的作用。正截面抗彎承載力計算部位取截面1，如圖5 所示。依據(jù)文獻7第5.2.3 條進行抗彎承載力計算。截面1 的彎矩設計MS=48065.24kN·m，計算簡圖如圖7 所示90圖7 正截面抗彎承載力計算截面受壓高度:70mm 200mm4032002858197422.4 1800014 12 140 1215.22', ,= = <×× × ×=cd fip ei pd eif bA fx抗彎承載力設計值： ( 0.5 ) , , , M A f h x p eiR p ei pd

7、 ei = = 28581974 × (2100 35)95 =59021.8kN·mMs=48065.24kN·m，滿足要求。2.1.2 抗剪承載力（1）斜截面抗剪承載力斜截面抗剪承載力計算部位分別取截面2 和截面3，如圖4 所示。依據(jù)文獻7第5.2.7條進行斜截面抗剪承載力計算。截面2 的剪力設計值為7298.41kN，抗剪承載力由槽板和預100 應力彎起鋼筋組成。截面3 的剪力設計值為4316.34kN，抗剪承載力由槽板組成。截面2 抗剪承載力設計值：( )( )8744.05kN 7298.41kN, 滿足要求。0.75 10 (6 sin11 1197.

8、18 2 sin 1206.04 2 sin 3 1214.96) 12 1401 1.25 1.1 0.45 10 764 2100 2 0.6 1.466 50 0.0105 2800.45 10 2 0.6 0.75 10 sin3 0 0 0330 ,31 2 3= >+ × × × × + × × + × × × ×= × × × × × × + × × ×= × + + 

9、5; VR bh P fcu k sv f sv f pd Apb p截面3 抗剪承載力設計值：( )( )7691.36kN 4316.34kN,滿足要求。1 1.25 1.1 0.45 10 764 2100 2 0.6 1.466 50 0.0105 2800.45 10 2 0.630 ,31 2 3= >= × × × × × × + × × ×= × +R cu k sv sv V bh P f f105 （2）正截面抗剪承載力正截面抗剪承載力的計算部位取截面2。剪力設計值為7

10、298.41kN，抗剪承載力由剪力鍵組成，如圖8 所示。依據(jù)文獻10第6.3.3 條，進行正截面抗剪承載力計算。圖8 剪力鍵布置示意（ 單位：mm） 0.75 0.95 = 0.75× 0.6× 4.13×5447035 + 0.95× 2.61×648600 , = + iR pc sm k k i V A A=11731.52kNVS=7298.41kN，滿足要求。110 2.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算持久狀況正常使用極限狀態(tài)的計算部位取槽板1 的跨中截面，如圖5 所示。采用荷載短期效應組合，汽車荷載效應可不計沖擊系數(shù)，預應

11、力分項系數(shù)為1.0。依據(jù)文獻7第6.3.1 條，進行持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算。荷載作用下邊緣混凝土拉應力： 1630522605371050034781.06 10600××= y =IMsst =10.85MPa115 預應力作用下邊緣混凝土壓應力：1630522605371050026059891 1355635550026059891 ××= + = + nnp pnnppc yIN eAN =15.01MPa= 0.85 = 10.85 - 0.85×15.01 st pc =-1.91MPa0，滿足要求。2.3 持久狀況構件的應力

12、計算依據(jù)文獻7第6.1.5、7.1.3、7.1.5 條，對持久狀況構件的應力進行計算。計算時荷載采120 用標準值，汽車荷載應考慮沖擊系數(shù)1.18，預應力的分項系數(shù) 1.0。2.3.1 混凝土應力混凝土應力計算部位為槽板1 跨中截面。荷載作用下混凝土應力：上緣壓應力770522605371050038344.46 10600××= = ckkc yIM =5.65MPa下緣拉應力1630522605371050038344.46 10600××= = tkkt yIM 125 =-11.96MPa預應力作用下混凝土應力：上緣拉應力770522605371

13、050026059891 1330635550026059891 ××= = nnp pnnppt yIN eAN =-1.1MPa下緣壓應力1630522605371050026059891 1355635550026059891 ××= + = + nnp pnnppc yIN eAN =15.11MPa上緣混凝土壓應力cc kc = + pt 130 =5.65-1.1=4.55 N/mm20.5fck=0.5×32.4=16.2MPa，滿足要求； 下緣混凝土壓應力cc kt = + pc =-11.96+15.11=3.15N/mm2

14、0.5fck=0.5×32.4=16.2MPa，滿足要求。2.3.2 預應力筋的拉應力荷載作用下，縱向預應力筋的預應力增量MPa p = EP kt = 5.652×11.96 = 67.6 ，135 縱向預應力筋的拉應力： Mpa f Mpa p e p pe 67.6 1115.22 1182.82 0.65 pk e 1209 , , = + = + = < = ， 滿足要求；橫向預應力筋的拉應力： Mpa f Mpa p i pe 1182.06 0.65 pk e 1209 , , = = < = ，滿足要求。3 橋梁有限元分析140 3.1

15、 有限元模型采用solid65 單元模擬混凝土，link8 單元模擬預應力鋼筋，solid95 單元模擬鋼墊板。對橋梁進行彈性分析時，認為橋梁各個構件能夠共同受力，干接縫沒有相對滑移。預應力通過施加應變來實現(xiàn)。橋梁在一端支座處約束x、y、z 方向的自由度，另一端支座處約束y 方向的自由度。有限元分析模型如圖9、10 所示。145圖9 整體模型 圖10 預應力筋3.2 結果分析3.2.1 設計計算結果與ANSYS 計算結果的比較分析用ANSYS 提取持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算結果、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算150 結果和持久狀況構件的應力計算結果，與設計計算結果進行比較分析。（1）持久狀況承

16、載能力極限狀態(tài)比較分析在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下，用ANSYS 提取橋梁截面1 的彎矩、截面2、3 的剪力，如表1、2 所示。對比分析可知，ANSYS 的結果與設計計算結果較接近。155 表1 彎矩比較（kN·m）截面 設計計算（Md） ANSYS 計算（MA） MA/Md截面1 48065.24 43735.61 0.91表2 剪力比較（kN）截面 設計計算（Vd） ANSYS 計算（VA） VA/Vd截面2 7298.41 7064.8 0.97截面3 4316.34 3796.2 0.88（2）持久狀況正常使用極限狀態(tài)比較分析160 在持久狀況正常使用極限狀態(tài)下，用ANSYS

17、 提取的槽板1 跨中截面z 向應力云圖，如圖11 所示。底部的邊緣的壓應力 為-2.29Mpa-3.21MPa，設計計算結果為-1.91MPa。對比分析可知，ANSYS 的計算結果大于設計計算結果。 （3）持久狀況構件的應力比較分析165 用ANSYS 分別提取槽板1 跨中截面的z 向壓應力云圖和預應力筋應力云圖，如圖12、13 所示。對比分析可知（如表3 所示），用ANSYS 提取的槽板1 跨中截面上緣壓應力與設計計算結果比較接近，下緣壓應力比設計計算結果大。用ANSYS 提取的預應力筋的拉應力與設計計算結果比較接近。圖12 槽板1 跨中截面z 向壓應力云圖 圖13 預應力筋應力云

18、圖170表3 持久狀況構件的應力(MPa)混凝土應力 預應力筋應力計算方法上緣 下緣 橫向預應力筋縱向預應力筋設計 4.55 3.15 1118.06 1182.82ANSYS 4.63 5.04 1110 1170設計/ANSYS 0.98 0.63 1.01 1.013.2.2 撓度分析圖14 為橋面y 向位移（撓度）云圖，在支座附件的撓度為向上0.2mm，跨中撓度為向175 下1.48mm。考慮使用階段的長期效應的影響，C50 混凝土的撓度長期增長系數(shù) 為1.425，所以最終跨中撓度值為1.48×1.425=2.11mm<l0/600=28900/600=48.17mm，

19、滿足要求。3.2.3 持久狀況構件的應力分析180 在進行構件的應力分析時，采用荷載組合設計值。用ANSYS 提取框架1、槽板1、框架5 的撓度和應力分布云圖，以了解橋梁各構件的受力情況。圖11 槽板1 跨中截面z 向應力圖14 橋面y 向位移云圖 （1）框架1用ANSYS 提取的框架1 的計算結果，如圖15 所示。y 向位移云圖x 向應力云圖z 向應力云圖圖15 框架1 的計算結果185框架1 的y 向（豎向）位移最大值發(fā)生在挑梁端部，其值為向下8.17mm，框架中間部分的位移為向下2.00mm。框架1 在x 向（橫橋向）應力值為-34.3MPa8.87MPa。最大壓應力為-34.

20、3MPa，發(fā)生在梁端預應力錨固區(qū)，其值大于混凝土的抗壓強度設計值?？蚣? 與槽板接觸的區(qū)域大部分190 受拉，拉應力為4.8MPa，大于混凝土的抗拉強度設計值?？蚣? 在z 向（順橋向）的應力-15.30MPa3.82MPa。最大壓應力為-15.30MPa，發(fā)生在挑梁端部，由預應力引起，但小于混凝土的抗壓強度設計值。（2）槽板1用ANSYS 提取的槽板1 的計算結果，如圖16 所示。195y 向位移云圖 x 向應力云圖z 向應力云圖圖16 槽板1 計算結果槽板1 的y 向位移最大值發(fā)生在挑梁端部，其值為向下8.12mm，中間位移為向下1.54mm。槽板1 在x 向應力值為-7.91MPa3.16MPa。最大壓應力-7.91MPa，與梁端預應力有關。200 槽板1 頂面x 向局部拉應力最大，其值為1.933.14MPa，均大于混凝土的抗拉強度設計值。槽板1 x 向應力以拉為主，其值為0.7MPa，小于混凝土的抗拉強度設計值。槽板1 在z 向應力值-9.81MPa-0.58MPa，槽板1 沿順橋向全截面受壓。（3）框架5 用ANSYS 提取的框架5 的計算結果，如圖17 所示。205y 向位移云圖x 向應力云圖z 向應力云圖圖17 框架5 計算結果框架5 的y 向的向上位移最大值發(fā)生在中間的頂面上，其值為0.16mm，向下位