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，采用法測法空心梁的優(yōu)點，集施工速度快、質(zhì)量好、板材少、預(yù)測高度等。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彈塑性計算功能對先張法預(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)點位移協(xié)調(diào),利用對稱性取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,將自由度約束加在空心梁h/2高處,形成一簡支梁模型,全模型共劃分單元1898個,其中Solid65單元1664個,Link8單元234個。采用對預(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運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,采用多階段和多子步數(shù)方式模擬完成整個加載過程,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過程。(2)空心梁下初始受拉模擬空心梁在成橋運營階段所承受的汽車、掛車等活荷載,對預(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應(yīng)的跨中節(jié)點位移、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,張拉鋼絞線達(dá)到最大控制應(yīng)力時,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,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,說明梁最大反拱點發(fā)生在空心梁的跨中部位。(2)對預(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(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,預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁底部即將產(chǎn)生初始裂縫,此時受拉混凝土開始退出工作。B點處鋼絞線的應(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)點的最大位移變?yōu)?7.230mm,跨中節(jié)點最大撓度變?yōu)?0.662mm.(3)均布面荷載達(dá)到圖3～圖5的B點后,迅速就進(jìn)到C點,此時面荷載值基本不變(C點面荷載值為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。(4)再繼續(xù)施加表面均布荷載,直至圖3～圖5中的D點,梁發(fā)生破壞,面荷載值達(dá)到73.96KN/m2,此時鋼絞線的應(yīng)力為1864.21Mpa,跨中節(jié)點的位移為-51.012mm,跨中節(jié)點撓度為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單元來考慮,實際工程中預(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為平面梁單元承受的極限彎矩,qu為平面梁單元承受的極限線荷載,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。按照簡支橋梁設(shè)計預(yù)應(yīng)力空心梁,橋梁的設(shè)計荷載(汽-20和掛-100)等級,取最不利梁號橫向荷載分布系數(shù)值mq為0.5,由《公路設(shè)計手冊-橋涵基本設(shè)計資料》查知,13m跨徑的預(yù)應(yīng)力簡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)計規(guī)范及文中計算所得平面梁能承受的極限線荷載qu和空心梁實際所承受的設(shè)計荷載q′1,可計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。我們對梁底有縱向裂紋的空心梁進(jìn)行了加載試驗,用百分表對裂紋進(jìn)行位移觀測,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,裂紋不會對橋梁承載力有所影響;繼續(xù)加載至梁破壞,觀測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,由施工單位對近百根空心梁進(jìn)行檢驗,結(jié)果無一出現(xiàn)裂紋,與采用ANSYS模擬計算結(jié)果相吻合。5