基于ansys的鋼筋混凝土腹板豎向壓應(yīng)力分析

基于ansys的鋼筋混凝土腹板豎向壓應(yīng)力分析

垂直查找角向混凝土箱梁板施加拉張，以控制主體拉張，防止箱梁板破裂。然而大量的箱梁橋在腹板施加豎向預(yù)應(yīng)力后,在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中腹板還是存在不同程序的開(kāi)裂現(xiàn)象,顯然豎向壓應(yīng)力過(guò)小或分布不勻是主要原因之一。由圖1可見(jiàn),假設(shè)采用懸臂施工,A、B梁段豎向預(yù)應(yīng)力筋與縱向預(yù)應(yīng)力束一樣,隨混凝土的澆注而分段張拉。先澆A梁段豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)后澆B梁段腹板沒(méi)有任何作用,相反B梁段的豎向預(yù)應(yīng)力卻能擴(kuò)散到A梁段腹板,分段張拉必使豎向壓應(yīng)力在A、B梁段腹板分布不均勻,特別在A、B梁段相接的CD兩側(cè)區(qū)域(見(jiàn)圖1),A梁段的腹板豎向壓應(yīng)力明顯大于B梁段。由此可見(jiàn),箱梁懸臂施工時(shí),豎向預(yù)應(yīng)力筋的不同張拉順序,必然引起腹板壓應(yīng)力分布規(guī)律的不同。而文獻(xiàn)給的計(jì)算式是平均應(yīng)力,它并沒(méi)有考慮豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉的先后順序?qū)Ω拱鍓簯?yīng)力分布的影響(由豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土豎向壓應(yīng)力σcy=0.6nσ′peApvbSv)。施工規(guī)范對(duì)于豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序也沒(méi)有明確的規(guī)定,大部分箱梁設(shè)計(jì)文件也沒(méi)有涉及到豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序,造成施工單位對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力張拉帶有明顯的隨意性。很明顯,為確保腹板豎向壓應(yīng)力均勻,豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉與懸臂施工不能同步,必須進(jìn)行滯后張拉。如文獻(xiàn)指出“橫、豎向預(yù)應(yīng)力在相關(guān)的縱向預(yù)應(yīng)力束張拉后1個(gè)月后方可施工”但文獻(xiàn)對(duì)滯后張拉距離沒(méi)有做出明確規(guī)定。因此,確定豎向預(yù)應(yīng)力筋滯后張拉的合理距離,對(duì)指導(dǎo)豎向預(yù)應(yīng)力施工,減少箱梁腹板開(kāi)裂具有十分重要的工程實(shí)用價(jià)值。1腹板豎向壓應(yīng)力根據(jù)文獻(xiàn)和文獻(xiàn)分析結(jié)果,可將懸臂端箱梁腹板簡(jiǎn)化為平面板模型,腹板尺寸如圖2所示,梁高4m(2c),梁長(zhǎng)20m(10c),板厚0.4m?；炷敛捎肧OLID45單元模擬,彈性模量取3.5×1010Pa,泊松比為0.1667,不計(jì)板的重量,在板上下端加集中力模擬豎向預(yù)應(yīng)力,約束AB端的O點(diǎn)位移與轉(zhuǎn)角。CD為懸臂自由端。分別在模型的X=16m、X=18m、X=19m、X=19.6m4處(集中力作用線(xiàn)逐漸逼近自由端)施加一對(duì)集中力(大小為1000N),作用點(diǎn)距自由端的距離分別為1c、0.5c、0.25c、0.1c(c為一半梁高),各種作用點(diǎn)下的腹板豎向壓應(yīng)力見(jiàn)圖3所示。分析結(jié)果如下。(1)當(dāng)集中力作用點(diǎn)離自由端較遠(yuǎn)時(shí)(作用線(xiàn)至自由端的距離等于梁高2c),如圖3(1),豎向壓應(yīng)力在腹板不同高度均呈正態(tài)分布,集中力作用線(xiàn)處壓應(yīng)力值最大;偏離作用線(xiàn)壓應(yīng)力逐漸減小,壓應(yīng)力在偏離中性軸(Y=0m)后擴(kuò)散范圍逐漸減小,作用線(xiàn)處壓力值在增大,這與文獻(xiàn)的豎向預(yù)應(yīng)力在狹長(zhǎng)薄板中的擴(kuò)散規(guī)律相同。(2)當(dāng)集中力進(jìn)一步往自由端移動(dòng)時(shí)(見(jiàn)圖3中(2)、(3)、(4)),腹板豎向壓應(yīng)力與集中力在狹長(zhǎng)薄板中的擴(kuò)散規(guī)律明顯不同,而且作用線(xiàn)越靠近自由端差異越顯著。當(dāng)非常迫近自由端(如圖3(4)),此時(shí),壓應(yīng)力最大值不再在集中力的作用線(xiàn)處,而是在自由端處。這說(shuō)明集中力作用線(xiàn)越接近自由端,最大壓應(yīng)力由作用線(xiàn)處逐漸向自由端處轉(zhuǎn)移,并且壓應(yīng)力值的增大趨勢(shì)越明顯,相應(yīng)地?cái)U(kuò)散范圍在減小。集中力作用在X=19.6m處,壓應(yīng)力值最大值是作用在X=16m時(shí)處的3倍,而擴(kuò)散范圍不到作用在X=16m時(shí)處的一半。(3)綜上所述,集中力作用在距自由端處在一個(gè)梁高(2c)距離以外的區(qū)域,其豎向壓應(yīng)力分布與狹長(zhǎng)薄板的分布規(guī)律相同,不受施工自由端的影響。2國(guó)外涂料工程的示例分析2.1主橋結(jié)構(gòu)總體布置永勝大橋是太澳(太原～澳門(mén))高速公路順德～中山段跨小欖水道的大橋。全橋長(zhǎng)7372.7m。主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁,橋跨布置為115m+206m+115m,雙幅分離式單箱單室結(jié)構(gòu),箱梁根部梁高為12m,邊跨及中跨合龍段梁高為4.5m,梁底下緣按1.75次拋物線(xiàn)變化。主橋總體布置如圖4所示。大橋主梁采用懸臂澆注法施工。懸臂共分26個(gè)節(jié)段,最大懸臂長(zhǎng)度達(dá)96m。2.2永勝大橋1號(hào)墩中跨1011號(hào)梁段由文獻(xiàn)可知,箱梁斜裂縫一般首先出現(xiàn)在支座或橋墩附近的主梁腹板上,本文選取永勝大橋1號(hào)墩中跨0～11號(hào)梁段進(jìn)行分析,具體尺寸見(jiàn)圖5與表1。有限元模型使用SOLID45單元模擬等厚腹板,豎向預(yù)應(yīng)力用集中力(1000kN)代替,間距為0.5m,集中力約束橋墩節(jié)點(diǎn)的位移與轉(zhuǎn)角,不計(jì)箱梁自重。2.3豎向壓應(yīng)力文獻(xiàn)關(guān)于豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)于腹板產(chǎn)生壓應(yīng)力的計(jì)算并沒(méi)有考慮箱梁分塊施工過(guò)程,由此可以認(rèn)為,規(guī)范計(jì)算結(jié)果是基于在混凝土梁段全部澆注完成后,腹板豎向壓應(yīng)力是通過(guò)豎向預(yù)應(yīng)力一次性張拉產(chǎn)生的。目前普遍的做法,是在張拉縱向預(yù)應(yīng)力束的同時(shí),張拉豎向預(yù)應(yīng)力筋。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用分段張拉。文獻(xiàn)規(guī)定“橫向、豎向預(yù)應(yīng)力束在相關(guān)的縱向預(yù)應(yīng)力束張拉后1個(gè)月后方可施工”從規(guī)定可得出按正常的施工速度,豎向預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)滯后箱梁2個(gè)梁段再進(jìn)行張拉。由表1可知:滯后2個(gè)梁段的張拉距離基本等于滯后張拉處的梁高。本文通過(guò)ANSYS模擬3種豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序,比較分段張拉和滯后張拉的合理性。2.4種張拉數(shù)據(jù)分析為了減小邊界條件的干擾,選取4～9號(hào)梁段腹板(X=12～34m,見(jiàn)圖5)中性軸處縱向截面位置的豎向壓應(yīng)力,結(jié)果如圖6。圖6表明:一次張拉,滯后張拉從總體上看與規(guī)范計(jì)算的平均值基本相等;分段張拉的豎向正應(yīng)力呈波浪狀特征,波峰值為1.5MPa(在分段梁起點(diǎn)),波谷值為3.0MPa(在分段梁終點(diǎn)),分別為規(guī)范計(jì)算值的60%和120%;分段張拉引起腹板豎向壓應(yīng)力的不均勻性,通過(guò)比較滯后張拉較分段張拉,豎向正應(yīng)力場(chǎng)更加均勻,能較好地與規(guī)范計(jì)算值相吻合。從豎向正應(yīng)力場(chǎng)分布均勻性角度比較,滯后張拉比分段張拉更合理。2.5豎向預(yù)應(yīng)力壓應(yīng)力的區(qū)域表現(xiàn)為取8～9號(hào)梁段(X=27～34m,見(jiàn)圖5),繪制腹板豎向壓應(yīng)力云圖,見(jiàn)圖7、圖9所示。從圖7可見(jiàn)。在后施工梁段的腹板(與前施工梁段相接處)存在著一個(gè)豎向壓應(yīng)力較小的區(qū)域——應(yīng)力空白區(qū),這是前面施工梁段的豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)該區(qū)域沒(méi)有任何作用的結(jié)果;相反,后施工梁段的豎向預(yù)應(yīng)力卻能擴(kuò)散到前施工梁段的腹板,在前施工梁段的腹板(與后施工梁段相接處)造成一個(gè)豎向壓應(yīng)力較大的區(qū)域,從圖8可知,相接區(qū)域最大最小的壓應(yīng)力比值超過(guò)3倍。以上說(shuō)明,分段張拉的施工順序,將造成腹板豎向壓應(yīng)力的分布不均勻,這種現(xiàn)象與豎向應(yīng)力損失大小無(wú)關(guān),提高有效豎向預(yù)應(yīng)力,不能消除這種應(yīng)力空白區(qū)。滯后張拉與分段張拉豎向壓應(yīng)力變化規(guī)律正好相反(如圖9),但壓應(yīng)力最大與最小的差值很小(0.1MPa,見(jiàn)圖10),可以忽略不計(jì)。3注意預(yù)應(yīng)力筋張拉方式的選用(1)本文利用有限元程序?qū)τ绖俅髽蜇Q向預(yù)應(yīng)力3種張拉方式(一次張拉,分段張拉,滯后張拉)進(jìn)行模擬,結(jié)果表明分段張拉將在箱梁腹板產(chǎn)生間隔性的“應(yīng)力空白區(qū)”,并且這種現(xiàn)象與豎向預(yù)應(yīng)力的損失無(wú)關(guān),在施工過(guò)程中應(yīng)盡量避免采