波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能.pdf

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第3l卷第5期2014年5月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentV01．31No．5Mav2014doi：10．3969／j．issn．1002—0268．2014．05．011波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能李明1,2，李俊3，周俊威3，史鹏飞3，宋建永1’2(1．交通运输部公路科学研究院，北京100088；2．旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室，北京100088；3．中铁十八局集团有限公司，天津300222)摘要：为研究波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能，利用ANSYS／CivilFem软件建立波形钢腹板预应力组合箱梁和常规PC箱梁空间有限元模型，对二者在相同顶底板初始应力和相同预应力配置这2种情况下的徐变效应，包括结构长期变形、体内和体外预应力损失率进行对比分析。结果表明：徐变引起的波形钢腹板箱梁挠度增量大于混凝土腹板箱梁；徐变引起的波形钢腹板箱梁体外预应力损失率大于混凝土腹板箱梁；体内预应力损失率小于混凝土腹板箱梁。关键词：桥梁工程；组合箱梁；徐变；有限元分析；波形钢腹板中图分类号：U448．21+6文献标识码：A文章编号：1002—0268(2014)05—0066—04CreepBehaviorofPCCompositeBox—girderwithCorrugatedSteelWebsLIMin91”，LIJun3，ZHOUJun．wei3，SHIPeng．fei3，SONGJian—yon91'2(1．ResearchInstituteofHighway，MinistryofTransport，Beijing100088，China；2．KeyLaboratoryofBridgeDetection＆ReinforcementTechnologyofMinistryofTransport，Beijing100088，China；3．ChinaRailway18thBureauGroupCo．，Ltd．，Ti孤jin300222，China)Abstract：InordertostudythecreepbehaviorofPCcompositebox-girderwithcorrugatedsteelwebs，the3Dfiniteelementmodelsofcompositebox--girderwithcorrugatedsteelwebsandordinaryPCbox—-girderarebuiltbysoftwareAnsys／CivilFem．Then，thecreepeffectsincludelong—termdeformation，internalandexternalpretresslossratesofbothmodelsarecalculatedandcomparedundertheconditionsofthesametopandbottomplateinitialstressesandthesameprestressconfiguration．Theresultsshowthat(1)boththedeflectionincrementandtheexternalprestresslossrateofPCcompositebox—girderwithcorrugatedsteelwebsduetocreeparelargerthanthoseofordinaryPCbox—girder；(2)theintemalprestresslossrateofPCcompositebox—girderwithcorrugatedsteelwebsissmallerthanthatofordinaryPCbox—girder．Keywords：bridgeengineering；compositebox—girder；creep；finiteelementanalysis；corrugatedsteelweb0引言波形钢腹板预应力组合箱梁桥起源于法国，与传统的PC箱梁相比优势显著。目前，该桥型已在德国、挪威、美国、韩国、日本得到广泛的应用。近些年来国内针对波形钢腹板组合桥梁也开展了大量的研究，其应用范围已从小跨径简支梁和人行桥逐步扩大到大跨连续梁或刚构桥，目前在建的港珠澳大桥珠海连接线工程前山河特大桥主桥为波形钢腹板体外预应力组合连续箱梁桥，主跨达160m。由于该种结构采用波形钢腹板代替混凝土腹板，使得其徐变性能与传统混凝土腹板箱梁存在一定差异¨。8J，对大跨波形钢腹板连续梁或连续刚构桥而言，如果对其长期变形控制不好，会对结构成桥线形和使用收稿日期：2013—03—25基金项目：国家自然科学基金项目(51278521)。作者简介：李明(1983一)，男，山西吕梁人，助理研究员．(ruing．1i@rioh．ca) 第5期李明，等：波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能67性能产生不利影响。为此，本文采用大型通用有限元软件ANsYs／civilFem对波形钢腹板组合箱梁的徐变性能开展研究。1混凝土徐变模式和计算方法不同规范对混凝土徐变模式的考虑方法不尽相同，常用规范有CEB-FIPCODE(1978)、我国现行的JTGD62--2004规范(简称04规范)、ACl209(1992)、AASHTO(1994)、CEB—FIP(1990)p““。我国04规范¨2o中对徐变模式的定义是借鉴CEB—FIP(1990)，本文波形钢腹板组合箱梁的徐变计算就是采用的这种徐变模式。ANSYS／CivilFem中计算混凝土徐变的方法有2种：逐步计算法(Stepbystepmethod)和有效模量法(Effectivemodulusmethod)。逐步计算法适用于受力过程复杂的问题，而有效模量法适用于持续荷载不随时间变化的情况，本文采用相对精确的逐步计算方法。2波形钢腹板预应力组合箱梁与普通PC箱梁徐变性能对比计算2．1计算模型为研究波形钢腹板PC组合箱梁和传统混凝土腹板箱梁徐变性能差异，本文对这2种结构在相同顶底板初始应力水平和相同预应力配置方案这2种情况下的的徐变效应分别进行了对比分析。计算采用大型通用有限元软件ANSYS／civilFem，波形钢腹板和混凝土腹板箱梁均为40m等截面简支箱梁，梁高2．5m，底板宽度6．5m，顶板宽度13．5m，箱梁同时配置体内和体外预应力束。空间分析模型中顶底板和混凝土腹板采用SOLIDl85实体单元模拟，波形钢腹板采用SHELIA．3壳单元模拟，预应力钢束采用LINK8杆单元模拟，波形钢腹板单元与混凝土顶底板单元采用共用节点形式连接，有限元计算中只考虑结构自重和体内外预应力作用，波形钢腹板和混凝土腹板箱梁空间计算模型分别如图1、图2所示。图1波形钢腹板PC组合箱梁空间有限元模型Fig．1FiniteelementmodelofPCcompositebox-girderwithcorrugatedsteelwebs图2普通PC箱梁空间有限元模型Fig．2Three··dimensionalfiniteelementmodelofordinaryPCbox·girder在ANSYS／CivilFem软件中根据我国桥梁混凝土规范中的徐变模式，采用用户自定义方式对模型中的混凝土徐变特性进行定义，其中相关参数取值如下：混凝土加载龄期取28d，环境平均相对湿度取70％，混凝土为C50混凝土，构件理论厚度根据模型截面特性进行计算。2．2相同顶底板初始应力下的徐变效应对比计算对波形钢腹板和混凝土腹板箱梁，通过调整预应力束的配置方案，使得二者的顶底板应力水平基本相同，并在此基础上进行徐变效应对比计算，二者的顶底板初始应力如表1所示。计算得到的波形钢腹板和混凝土腹板箱梁在不同混凝土龄期的跨中挠度值和挠度增量见表2。从表2可以看出，在顶底板初始应力相同的条件下，混凝土腹板简支箱梁的初始挠度为4．9mm，波形钢腹板简支箱梁的初始挠度为3．3mm，前者大于后者。随着混凝土徐变的发展，二者挠度均逐渐增大，且波形钢腹板简支箱梁的挠度增量大于混凝土腹板箱梁，在混凝土龄期达到1068d时，二者的挠度增量分别达到8mm和6．2mm，前者比后者大30％左右。在相同顶底板应力水平下，计算得到的波形钢腹板和混凝土腹板简支箱梁的体外和体内预应力损失率对比如图3所示。从图3可以看出，2种结构由于混凝土徐变产生的预应力损失率在开始阶段相等，随着混凝土龄期的增大，二者均逐渐增大且开始呈现一定的差别。对体外预应力损失率而言，波形钢腹板箱梁略大于混凝土腹板箱梁。对体内预应力损失率，混凝土腹板箱梁略大于波形钢腹板箱梁。在混凝土龄期达到 公路交通科技第3l卷表1箱梁顶底板初始应力Tab．1Initialstressoftopandbottomplatesofbox·girder表2箱梁跨中挠度对比Tab．2Comparisonofdeflectionsofbox-girderinmid-spansection3·0述2．5姜2．o辎1．5巷1o器O50．0混凝土龄期／d(b)体内图3箱梁体外预应力损失率对比(相同顶底板应力水平下)Fig．3Comparisonofinternalandexternalprestresslossratesofbox-girder(underthesameprestressratio)1068d时，二者的体外预应力损失率均小于3％。体内预应力损失率均小于4％。2．3相同预应力配置条件下的徐变效应对比计算对波形钢腹板和混凝土腹板箱梁采用相同的预应力配置方案，并在此基础上进行二者的徐变效应对比分析，计算得到的波形钢腹板组合箱梁和普通混凝土腹板箱梁在不同混凝土龄期的跨中挠度值和挠度增量见表3。表3箱梁跨中挠度对比Tab．3Comparisonofdeflectionsofbox-girderinmid·spansection㈣渤秭∞混瑚 第5期李明，等：波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能由表3可以看出，在相同的预应力配置情况下，波形钢腹板箱梁的初始挠度为3．9mm，混凝土腹板箱梁的初始挠度为3．1mm，二者相差不大。随着混凝土龄期的增长，由于混凝土徐变引起的波形钢腹板箱梁跨中挠度增量值远大于混凝土腹板箱梁，3a后，二者的挠度增量分别达到8．9mm和2．8mm，前者约为后者的3倍。在相同预应力配置条件下，计算得到的波形钢腹板和混凝土腹板简支箱梁的体外和体内预应力损失率对比如图4所示。0200400600800l000混凝土龄期／d(a)体外11．3him，混凝土腹板箱梁的挠度由初始时的3．3mm增大到11．3mm，二者挠度增量相差30％。(2)在相同预应力配置条件下，徐变引起的波形钢腹板箱梁挠度增量明显大于混凝土腹板箱梁。以本文计算模型为例，在混凝土浇筑完成3a后，波形钢腹板箱梁的挠度由初始时的3．9mm增大到12．8mm，混凝土腹板箱梁的挠度由初始时的3．1mm增大到5．9mm，前者的挠度增量约为后者的3倍。(3)在相同顶底板应力水平条件下，二者的预应力损失率相差不大；在相同的预应力配置条件下，随着混凝土龄期的增长，二者的预应力损失率差值先逐渐增大后趋于稳定。总体来看，在相同顶底板应力水平和相同预应力配置这2种情况下，波形钢腹板箱梁体外预应力损失率要大于混凝土腹板箱梁，但其体内预应力损失率却小于混凝土腹板箱梁。此外，在混凝土龄期达到1068d时，二者的体外预应力损失率均小于3％，体内预应力损失率也在4％以下。参考文献：References0』00401lblJ【JSL)【J00(J混凝i．龄期dLbJ体内图4箱梁体外预应力损失率对比(相同预应力配置条件下)Fig．4Comparisonofinternalandexternalprestressloss[2]ratesofbox-girder(underthesanlepressconfiguration)由图4可以看出，2种结构由于混凝土徐变产生的预应力损失率在开始阶段即不相同，随着混凝土龄期的增长，二者差别先逐渐增大，而后趋于稳定。就体外预应力损失率而言，波形钢腹板箱梁大于混凝土腹板箱梁；对于体内预应力损失率，混凝土腹【jJ板箱梁大于波形腹板箱梁，这与相同顶底板应力水平下这2种结构的预应力损失率变化趋势是一致的。在混凝土龄期达到1068d时，二者的体外预应力损失率均小于3％。体内预应力损失率均小于4％。3结论L斗J(1)在相同顶底板应力水平下，徐变引起的波形钢腹板箱梁挠度增量稍大于混凝土腹板箱梁。以本文计算模型为例，在混凝土浇筑完成3a后，波形钢腹板箱梁的挠度由初始时的3．3mm增大到李立峰，王芳，刘志才，等．体外预应力波形钢腹板组合箱梁徐变性能研究[J]．湖南大学学报，2008，35(5)：l一5．ULi-feng，WANGFang，LIUZhi-cai，eta1．StudyontheCreepBehaviorofExternallyPrestressedCompositeBeamwithCorrugatedSteelWebs[J]．JournalofHunanUniversity：NaturalScienceEdition，2008，35(5)：l一5．王骅，薛伟辰．考虑收缩徐变的钢一混凝土组合梁变形计算[J]．长安大学学报，2004，24(1)：56—60．WANGHua．XUEWei·chen．DenectionsofSteel—concreteCompositeBeamsduetoShrinkageandCreep[J]．JournalofChang’anUniversity：NaturalScienceEdition，2004，24(1)：56—60．何曙明，张俊平，梅力彪．预应力结合梁收缩徐变行为的长期试验研究[J]．公路，2003(6)：50—53．HEShu-ming，ZHANGJun-ping，MEILi-biao．Long—termExperimentStudyonShrinkageandCreepBehaviorinPrestressedSteel—concreteCompositeGirder『J]．Highway，2003(6)：50—53．昌颖．预应力波形钢腹板组合挑梁力学性能分析与试验研究[D]．长沙：湖南大学，2006．CHANGYing．ExperimentalStudyandMechanicalBehaviorAnalysisonPre·stressedCantileverCompositeBeamwithCorrugatedSteelWebs[D]．Changsha：HunanUniversity，2006．(下转第77页) 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