PC连续梁桥悬浇阶段单箱双室腹板

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1、PC连续梁桥悬浇阶段单箱双室腹板预应力钢束空间效应分析杨昀1李武龙2（1.交通部公路科学研究所；2.河海大学工程力学系）摘要某预应力混凝土变截面连续梁桥，主梁为单箱双室箱梁，采用挂篮悬臂浇筑施工，本文采用BridgeKF2.0有限元软件对箱梁腹板进行局部分析，得知不张拉竖向预应力筋而继续悬臂挂篮施工，容易造成腹板下部出现裂缝。关键词箱形梁BridgeKF腹板裂缝一、概述预应力混凝土箱梁以其价廉、美观、抗弯扭性能好等优点在桥梁工程中得到到广泛应用，但箱梁桥普遍出现跨中下挠和箱梁裂缝。近年来，国内对大跨连续箱梁梁桥腹板竖向预应力钢束空间效

2、应研究日渐关注。目前的研究主要通过三维有限元程序实体建模，计算分析腹板竖向钢束预应力作有的竖板竖向应力分布规律，认为腹板竖向钢束张拉与否是致使腹板混凝土产生裂缝的主要原因。本文介绍的案例是一座跨径布置为60+60+60m三跨预应力混凝土连续梁桥,采用C55混凝土，主桥分成上、下行两幅，每幅均为独立的单箱双室斜腹板断面。箱梁顶宽为18.55m，底面宽为9m，翼缘板悬臂长度为3.75m。翼缘板端部厚为0.2m、根部厚0.6m；底板厚度是二次抛物线变化，其中支座附近是0.75m；腹板厚度0.6m，跨中设有横隔板，见图1。该桥主梁采用挂篮悬臂

3、施工，悬臂浇筑节段按长度3.5，2.0，3.5，3.5m划分。图1箱梁1号块截面（单位:cm）二、箱梁腹板的受力特点箱梁腹板在荷载作用下，腹板上任一点的应力状态见图2，一般情况下有=0，即箱梁腹板处于平面应力状态，该点主应力可表示为；最新范本,供参考！图2箱梁腹板应力状态其实，除与活载直接接触的顶板局部外，箱梁各板件均在其自身平面内处于二向应力状态。因此，要确切分析箱梁的受力特性，就要精细考虑上述因素的空间分析方法。三、单元选择根据要求，选择单元应满足如下要求，能整体计入竖向预应力效应。梁格单元或曲梁单元能够计算纵向和环向预应力效应，

4、不能计入竖向预应力。从理论上讲，只有应用实体单元模拟连续刚构桥才能真正做到仿真分析。本文用交通部公路科学研究所研发的桥梁三维预应力空间分析系统BridgeKF2.0进行计算。BridgeKF系统是一个有限元综合分析系统。它的核心单元采用空间8节点实体单元，可以有效地模拟各种复杂结构，如空心板、T梁、箱梁及横隔板、加腋部分;如三叉结构、锚碇等。BridgeKF系统的特点是专业性强，尤其是结构预应力分析，无论建模还是计算均能体现桥梁结构的特殊要求，如预应力与结构耦合作用机理，比现有程序、系统的处理方法更接近于实际情况。应该说，结构预应力(

5、三向)分析是BridgeKF系统的主要特点，是该项目的主要创新之处。此外，实体单元可以分阶段计算预应力也是BridgeKF系统的特色。实体单元(图3)的坐标变换式为：ζηξ图38结点单元其中形函数：(i=1，……，8)式中；xi、yi、zi为结点i处的整体坐标，xi、hi、zi为结点处的局部坐标。最新范本,供参考！BridgeKF软件里面这种实体单元中允许包含了混凝土和钢束两种材料单元。把这两种单元的刚度矩阵加以组合，即得到钢束混凝土单元的刚度矩阵。即式中：为钢束混凝土单元刚度矩阵，为混凝土单元刚度矩阵，为钢束单元刚度矩阵。设混凝土单

6、元中包含有一根钢束单元,两端点的编码为i和j，如图4所示。以钢束方向为轴建立局部坐标系（），它们与整体坐标系（x，y，z）的坐标变换矩阵为zˊyˊx′′其中，图4包含钢束的混凝土单元通过推导得到钢束的附加刚度矩阵：这里的矩阵如下：其中，l，m，n为方向余弦，即为矩阵中的第一行元素，A，E分别为钢束的面积和弹模。是沿钢束方向的局部坐标。四、局部空间分析最新范本,供参考！为确定裂缝与施工过程的关系，对该桥进行局部受力分析。采用BridgeKF2.0有限元空间分析软件进行分析。分析腹板下部的竖向应力与主应力。竖向预应力钢筋分布在3个腹板中，

7、每个腹板两排，每隔0.5m布置作用点；同时，中间腹板竖向预应力为直筋，边侧腹板竖向预应力为斜筋。混凝土用实体单元来模拟，输入各项实际参数（包括预应力参数），并考虑预应力损失。建立主桥0~3号块模型，0号块墩底固结。模型如下图（图5）所示；单元横截面划分如下图6所示，预应力布置如下图7所示。图5实体单元模型图6截面剖分单元图最新范本,供参考！图7预应力筋布置荷载（1）：结构自重；荷载（2）：挂篮荷载(每室两侧各400KN)；荷载（3）：张拉竖向预应力粗钢筋；荷载（4）；顶板升温20度，底板和腹板温度不变。对荷载进行组合，得到如下荷载工况

8、：工况1，荷载（1）；工况2，荷载（1）+荷载（2）；工况3，荷载（1）+荷载（4）；工况4，荷载（1）+荷载（2）+荷载（3）；工况5，荷载（1）+荷载（2）+荷载（4）。本文采用实体单元模型，对某变截面单箱单室连续梁