带弯曲裂缝预应力简支箱梁非线性分析

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1、带弯曲裂缝预应力简支箱梁非线性分析：本文利用大型空间有限元分析程序Ansys，建立了带弯曲裂缝预应力混凝土简支箱梁的实体有限元模型，将裂缝宽度、高度、数量等作为敏感参数，对带弯曲裂缝预应力混凝土简支箱梁受力和破坏全过程进行了仿真分析，初步研究了弯曲裂缝对于混凝土梁的刚度和承载力的影响，并为确定试验梁的最优化参数提供参考。　　关键词：非线性分析，预应力，弯曲裂缝，应力　　1试验模型设计　　以我国公路桥梁中常用的30m跨径预应力混凝土小箱梁为原型，考虑了模型设计和试验场地的要求，根据中性轴位置相对不变和截面面积相等的相似转换原则，以1：5的缩尺比进行模

2、型设计。混凝土采用C40，预应力筋采用钢绞线，纵向普通钢筋及箍筋采用HRB335，箍筋间距为100mm。采用四分点加载，两集中力间距为3000mm。模型具体尺寸及配筋见图1-1及图1-2。　　　　图1-1　　　　图1-2　　2有限元模型建立　　2.1建模策略　　混凝土采用Solid65单元，采用多线性等向强化（MISO）模型，破坏准则采用Pa。　　采用分离式模型，并假设钢筋与混凝土之间粘结良好，没有相对滑移和变形。采用通过调整X格尺寸，使预应力筋节点与混凝土节点完全重合的方法来实现两者之间的共同受力。考虑到结构的对称性，仅建立1/4模型进行计算分析

3、，并在对称面上施加对称约束。　　2.2裂缝的模拟　　采用将裂缝处混凝土单元删除的方法来模拟初始裂缝，并用具有单向拉压功能的Link10单元联结裂缝两侧混凝土单元，来模拟裂缝受拉张开、受压闭合的现象。同时应注意预应力筋和普通钢筋在裂缝处不应设有节点，以避免裂缝张开时引起预应力筋和普通钢筋在此处的应力集中。裂缝局部视图见图2-1。　　　　图2-1裂缝局部视图　　2.3荷载施加　　自重荷载的施加采用定义材料密度和重力加速度的方法；预应力荷载的施加采用降温法模拟，预应力损失根据规范计算并在施加预应力荷载时扣除；集中荷载的施加采用在相应截面上缘节点加集中力的

4、方法。　　3本构关系　　3.1混凝土本构关系　　混凝土采用抛物线加水平直线的Rusch模型，如图3-1所示。　　　　图3-1混凝土单轴受压应力－应变曲线　　3.2预应力筋及普通钢筋本构关系　　预应力筋及普通钢筋本构关系采用斜直线加水平直线的理想弹塑性模型，如图3-2及图3-3所示。　　　　图3-2预应力筋应力－应变曲线　　　　图3-3普通钢筋应力－应变曲线　　4参数敏感性分析　　4.1不同初始裂缝宽度的影响分析　　由于实际裂缝宽度一般小于1mm，有限元模型中难以模拟，因此首先分析裂缝宽度对计算结果的影响。以跨中为对称面，建立2条高160mm（50％

5、梁高）、间距60mm的裂缝，宽度分别为5mm、10mm、20mm、40mm。　　计算结果表明：不同初始裂缝宽度对计算结果略有影响，计算结果的误差随着裂缝宽度的增大而增大，但基本上在5％以内；当裂缝宽度小于10mm时，裂缝宽度对计算结果的影响较小。下文的计算中，初始裂缝宽度均取为5mm。　　4.2不同初始裂缝高度的影响分析　　以跨中为对称面，建立2条宽度5mm、间距60mm的裂缝，高度分别为25mm（底板一半开裂）、50mm（底板完全开裂）、100mm、160mm（腹板一半开裂）、270mm（腹板完全开裂）。　　计算结果表明：在裂缝数量较少时，初始裂

6、缝高度的不同对于主梁挠度、跨中混凝土上缘应力、预应力筋最大应力的影响并不显著，仅在荷载较大，接近破坏时影响较为明显。　　4.3不同初始裂缝数量的影响分析　　以跨中为对称面，在纯弯段范围内，建立宽5mm、高160mm的裂缝，数量分别为2条（间距60mm）、4条（间距500mm）、8条（间距300mm）。　　计算结果表明：（1）裂缝的产生使主梁刚度下降，裂缝较多的主梁，其挠度在相同荷载下大于裂缝较少的主梁。（2）裂缝的产生使跨中上缘混凝土压应力减小，但裂缝数量对应力影响不明显，图3.4.3-2中2条裂缝主梁跨中压应力偏大的原因为最大压应力出现在裂缝处梁

7、顶，跨中截面距裂缝较近（30mm），受其影响。（3）裂缝的产生使预应力筋应力增大，但裂缝数量对应力影响不明显。　　4.4裂缝发展规律　　比较分析各种工况下的裂缝发展过程，可以总结出以下规律：裂缝首先出现在纯弯段梁底，随着荷载增大，预设裂缝尖端出现了一定程度的开裂，裂缝发展速度略慢于梁底裂缝，荷载较大时，顶板下缘横向受拉开裂，最终裂缝发展到梁顶，钢筋屈服，混凝土被压碎。　　5结论　　（1）计算结果的误差随着所选取裂缝宽度的减小而减小，当裂缝宽度小于5mm时，其误差基本满足工程精度的要求，可以忽略不计。　　（2）初始裂缝高度和数量的不同对计算结果存在影

8、响但不明显，须进一步分析原因。　　（3）梁顶最大压应力出现在预设裂缝处梁顶。　　（4）随着荷载增加，梁底先开裂，当裂缝高度