先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁受彎極限承載力分析

先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁受彎極限承載力分析

0空心梁底板裂紋產(chǎn)生機(jī)理首先，采用法測(cè)法空心梁的優(yōu)點(diǎn)，集施工速度快、質(zhì)量好、板材少、預(yù)測(cè)高度等。然而，由于施工條件的限制，它通常用于30米以下的橋梁。近期在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了一些縱向裂縫出現(xiàn)在空心梁底板的中部,受施工單位委托,應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)這些空心梁的施工工藝及產(chǎn)生裂紋的過程進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算和研究,提出了通過改進(jìn)施工工藝,即改變澆注預(yù)應(yīng)力空心梁混凝土的方法,由一次性從側(cè)模澆注混凝土成型改成先澆注空心梁底板混凝土,而后再澆空心梁側(cè)板混凝土的方法,可以很好地限制裂縫產(chǎn)生,分析成果在《鋼筋混凝土橋梁底板裂紋成因的有限元分析》一文中進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本文采用分離式有限元模型進(jìn)一步分析研究改進(jìn)施工工藝后的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁的受彎極限承載力,分析全過程從開始張拉鋼絞線至空心梁受力破壞。1空心梁的截面形式、截面尺寸、內(nèi)部鋼筋配置仍然采用有限元軟件ANSYS彈塑性計(jì)算功能對(duì)先張法預(yù)應(yīng)力空心梁的承載力進(jìn)行分析。先張法預(yù)應(yīng)力空心梁的截面形式、截面尺寸及內(nèi)部鋼筋配置情況見圖1,空心梁長(zhǎng)13m,混凝土采用C50(Rc=28.5N/mm2,Eh=35×103N/mmC50(Rc=28.5Ν/mm2,Eh=35×103Ν/mm2),予應(yīng)力鋼筋采用鋼絞線(強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Rbyyb=1860MPa,彈性模量E=195GPa).1.1空心梁間一維鏈桿有限元模型混凝土單元采用ANSYS中的Solid65單元,該單元為8節(jié)點(diǎn)6面體單元,預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用ANSYS中的Link8空間一維鏈桿單元,有限元模型如圖2所示。假設(shè)所有單元共用節(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào),利用對(duì)稱性取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,將自由度約束加在空心梁h/2高處,形成一簡(jiǎn)支梁模型,全模型共劃分單元1898個(gè),其中Solid65單元1664個(gè),Link8單元234個(gè)。采用對(duì)預(yù)應(yīng)力空心梁施加均布面荷載的方法來模擬空心梁在營(yíng)運(yùn)階段受到的汽車等活荷載的作用,荷載施加示意圖如圖2示。1.2加載方法和求解根據(jù)先張法預(yù)應(yīng)力空心梁的受力特點(diǎn),采用多階段和多子步數(shù)方式模擬完成整個(gè)加載過程,具體操作分四階段,加載情況見表1.(1)應(yīng)用準(zhǔn)備階段對(duì)鋼絞線單元施加溫度荷載,模擬預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁施工階段鋼絞線張拉的整個(gè)過程。(2)空心梁下初始受拉模擬空心梁在成橋運(yùn)營(yíng)階段所承受的汽車、掛車等活荷載,對(duì)預(yù)應(yīng)力空心梁上表面施加面荷載,直至梁底預(yù)壓應(yīng)力消耗完畢,底部開始受拉并使底部混凝土拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度ft而即將出裂為止。(3)使用過程中的中斷階段繼續(xù)施加面荷載,空心梁的底部出現(xiàn)裂縫。(4)使用過程中的損害級(jí)別再繼續(xù)施加面荷載,直至空心梁發(fā)生破壞,喪失極限承載能力.1.3鋼絞線應(yīng)力分析用分離式模型和上述加載方案對(duì)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁受彎極限承載力進(jìn)行全過程模擬仿真研究后,得到各階段特征荷載值及對(duì)應(yīng)的跨中節(jié)點(diǎn)位移、跨中撓度及鋼絞線應(yīng)力值數(shù)據(jù)見表2.鋼絞線在各荷載階段的應(yīng)力變化情況見圖3,予應(yīng)力空心梁跨中位移在各荷載階段的變化情況見圖4,予應(yīng)力空心梁跨中撓度隨面荷載的增加而變化的關(guān)系曲線見圖5.同時(shí),張拉鋼絞線達(dá)到最大控制應(yīng)力時(shí),空心梁底部受壓上部受拉而形成反拱變形及各截面的撓度值見圖6,梁破壞時(shí)鋼絞線的應(yīng)力變化情況見圖6.2空心梁的荷載—數(shù)據(jù)和結(jié)果分析用有限元理論分析先張法預(yù)應(yīng)力空心梁知:(1)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加溫度荷載(施工階段的預(yù)應(yīng)力空心梁),使張拉控制應(yīng)力達(dá)到施工要求的最大值為1395Mpa,測(cè)出鋼絞線的應(yīng)力為1329.58Mpa,與張拉控制應(yīng)力差值為64.42Mpa,見圖3～圖5中A點(diǎn),鋼絞線應(yīng)力減少的原因,主要是預(yù)應(yīng)力空心梁受到預(yù)壓力后產(chǎn)生彈性壓縮變形,引起張拉的鋼絞線產(chǎn)生相同的壓縮變形而將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到混凝土中承受,從而引起的預(yù)應(yīng)力損失。跨中節(jié)點(diǎn)的位移為13.433mm,空心梁最大反拱值為13.462mm,說明梁最大反拱點(diǎn)發(fā)生在空心梁的跨中部位。(2)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁上表面施加均布面荷載(使用階段的預(yù)應(yīng)力空心梁),荷載值由0增至59.247KN/m2時(shí)(相當(dāng)于圖3～圖5中的AB段),荷載～撓度關(guān)系線呈明顯的線性變化,說明荷載作用初期預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁受力處于完全彈性狀態(tài);到了B點(diǎn),預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁底部即將產(chǎn)生初始裂縫,此時(shí)受拉混凝土開始退出工作。B點(diǎn)處鋼絞線的應(yīng)力為1410.36Mpa,空心梁已經(jīng)產(chǎn)生向下的彎曲變形,跨中節(jié)點(diǎn)的最大位移變?yōu)?7.230mm,跨中節(jié)點(diǎn)最大撓度變?yōu)?0.662mm.(3)均布面荷載達(dá)到圖3～圖5的B點(diǎn)后,迅速就進(jìn)到C點(diǎn),此時(shí)面荷載值基本不變(C點(diǎn)面荷載值為59.253KN/m2),但鋼絞線應(yīng)力卻發(fā)生突變,達(dá)到了1547.04Mpa,跨中節(jié)點(diǎn)的位移和跨中撓度也有明顯的變化。分別為-10.828mm和24.261mm,因此BC階段為梁底混凝土出現(xiàn)初始裂縫后的瞬時(shí)階段,在此階段受拉區(qū)混凝土逐漸退出受拉工作狀態(tài),拉區(qū)應(yīng)力由鋼絞線承擔(dān),荷載-撓度關(guān)系開始出現(xiàn)非線性變化趨勢(shì)。(4)再繼續(xù)施加表面均布荷載,直至圖3～圖5中的D點(diǎn),梁發(fā)生破壞,面荷載值達(dá)到73.96KN/m2,此時(shí)鋼絞線的應(yīng)力為1864.21Mpa,跨中節(jié)點(diǎn)的位移為-51.012mm,跨中節(jié)點(diǎn)撓度為64.445mm;因此CD階段為裂縫不斷緩慢擴(kuò)展直至梁發(fā)生破壞的階段,從圖6知:梁破壞時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度Rbyyb=1860Mpa(圖上分析計(jì)算值為Rby=1890Mpa).3彎極限承載力用ANSYS有限元軟件分析求得預(yù)應(yīng)力空心梁的極限面荷載為73.96KN/m2,將空心梁等效為平面梁?jiǎn)卧獊砜紤],實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力空心梁的上表面寬度為1.3m,因此空心梁能承受的極限線荷載為:qu=p×b=73.96×1.3=96.148KN/m預(yù)應(yīng)力空心梁的抗彎極限承載力為:Mu=18qul2=18×96.1×132=2030.11KN/mΜu=18qul2=18×96.1×132=2030.11ΚΝ/m式中Mu為平面梁?jiǎn)卧惺艿臉O限彎矩,qu為平面梁?jiǎn)卧惺艿臉O限線荷載,p為預(yù)應(yīng)力空心梁承受的極限面荷載,b為預(yù)應(yīng)力空心梁的上表面寬度。按照簡(jiǎn)支橋梁設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力空心梁,橋梁的設(shè)計(jì)荷載(汽-20和掛-100)等級(jí),取最不利梁號(hào)橫向荷載分布系數(shù)值mq為0.5,由《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)-橋涵基本設(shè)計(jì)資料》查知,13m跨徑的預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支空心梁橋在上述荷載作用下的汽車等代荷載q1=3.65t/m,因此該橋的設(shè)計(jì)線荷載q′1的取值為q′1=q1×mq=3.65×0.5=1.825t/m。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范及文中計(jì)算所得平面梁能承受的極限線荷載qu和空心梁實(shí)際所承受的設(shè)計(jì)荷載q′1,可計(jì)算出該橋的安全系數(shù)k的取值為:k=qu/q1=9.61/1.825=5.274縱向裂紋變化為弄清荷載作用下裂紋對(duì)橋梁承載力的影響及改進(jìn)施工方法后橋梁的抗彎承載力。我們對(duì)梁底有縱向裂紋的空心梁進(jìn)行了加載試驗(yàn),用百分表對(duì)裂紋進(jìn)行位移觀測(cè),給梁加載到梁底橫向開裂延伸到翼緣板根部,發(fā)現(xiàn)縱向裂紋寬度變化范圍在0.03mm～0.04mm之間,且卸載后裂紋全部回到0,說明裂紋的變形為彈性變形,裂紋不會(huì)對(duì)橋梁承載力有所影響;繼續(xù)加載至梁破壞,觀測(cè)空心梁的抗彎極限承載力,結(jié)果與ANSYS軟件模擬改進(jìn)施工工藝梁的極限承載力接近。改進(jìn)施工工藝后,由施工單位對(duì)近百根空心梁進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果無一出現(xiàn)裂紋,與采用ANSYS模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。5