公路桥梁体外预应力受力特性分析.doc

1、公路桥梁体外预应力受力特性分析摘要:利用 midas/Civil 程序对公路体外预应力混凝土连续刚构桥进行分析计算，并得出结构受力合理的结论。在计算模型正确的基础上，重点分析体外预应力钢束损失情况和介绍在极限荷载作用下体外预应力结构应力增量的相关理论，为体外预应力技术在桥梁工程中的应用提供了结构设计方面的依据。 关键词：体外预应力；midas/Civil；预应力损失；应力增量 中图分类号：U445 文献标识码：A 中图分类号：U442 体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一，是将预应力钢束布置在梁体外的一种结构形式，只在转向块及锚固端处与混凝土有相同位移。体外预应力钢束既可适用于做永久预应力

2、束，也可作为施工临时束，或作为旧桥加固的预应力束使用。近年来，我国的桥梁工作者正日益认识到体外预应力结构的重要价值，已从多方面展开研究工作，并且在桥梁工程和建筑结构的加固以及新结构的设计中对其进行了深入探索。本文主要以连续刚构桥为实际工程背景，重点计算分析体外预应力刚构桥的受力情况和体外预应力束的相关特性。 1 工程简介 以国内某预应力混凝土连续刚构桥为实例，其跨径布置为 75+l30+75 m，桥全长 260 m，主墩采用双薄壁柔性墩，两岸主、引桥间各设有一过渡墩，引桥均为 30 m 先简支后连续箱梁。主桥单侧悬臂施工部分共由 8个 3.5 m 和 7 个 4.4 m 节段组成，箱梁顶板宽

3、16.5 m，底板宽 9. 25 m，两侧悬臂长各 3.63 m。箱梁根部梁高 7.8 m(最低腹板外侧高)，跨中梁高 3.0 m，箱梁高度以 1.8 次抛物线变化。在预应力体系上只在纵向和横向布置预应力而取消了竖向预应力。纵向预应力钢束分为以下几类：I期悬臂施工束 T1T32，边跨底板束 B1B2，边跨合龙束 L3L5，中跨底板束 D1D2，中跨合龙束 L1 、L2，体外束 W1W8。主梁纵向体内预应力束采用 s15.24 高强低松弛钢绞线，体外预应力束采用 s15.24 高强低松弛喷环氧钢绞线，夹片式群锚，两端张拉。 桥型布置图及横断面图分别如图 1 和图 2 所示。 图 1 桥型布置图（

4、单位：m） Fig.1 Bridge arrangement(unit:m) 图 2 横断面（单位：cm） Fig.2 Cross section (unit:cm) 2 设计荷载标准及依据 计算行车速度：100 km/h； 桥梁宽度：16.5 m (整体式)； 设计荷载：公路I 级； 设计洪水频率：1/100； 通航等级：IV 级； 地震烈度：6 度； 主要设计规范： 1）(JTGD60 一 2004)公路桥涵设计通用规范 ； 2）(JTGD62 一 2004)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 。 3 计算模型 由于本桥采用平衡悬臂现浇施工法，在建模过程中重点考虑施工阶段对计算结果的

5、影响。简化模型中主要考虑荷载有桥梁自重、挂蓝荷载、混凝土湿重、压重、中跨合拢顶推力以及预应力荷载和二期荷载等。该桥采用 midas/Civil 2010 桥梁专用有限元分析软件对结构进行计算，主梁和桥墩均采用梁单位进行模拟，全桥共划分为 114 个梁单元，119 个节点。计算模型如图 3 所示，节点单元划分如图 4 所示。 图 3 计算模型 Fig.3 Calculating model 图 4 节点单元划分 Fig.4 Node units classification 4 设计荷载作用时分析计算及成桥应力评定 4.1 设计荷载作用时的分析计算 在设计计算时，用于截面应力计算的结构有限元分析

6、模型是平面刚架模型，体外预应力筋不作为构件进行评价，而是与体内预应力设计相同，因此将体外预应力筋的应力变化作为预加力处理，也就是用“换算内力荷载法”进行分析计算。在恒载、汽车荷载、温度荷载及不均匀沉降等分别作用下，墩顶处及跨中的主梁弯曲应力见表 1。 表 1 主梁主要截面的弯曲应力 MPa Tab.1 Bending moment of the key section of the main girder 注：表中负值表示压应力，正值表示拉应力。 4.2 成桥应力评定 通过对成桥应力计算结果的把握，可以确保分析结论的正确性及清楚认识工程项目应力分布的特性。在 midas/Civil 计算程序自

7、动生成荷载组合后，查看成桥应力结果。荷载工况为恒载+汽车活载+温度荷载+不均匀沉降+预应力。全桥标准组合下的应力分布及结果评定如下，其标准值应力分布情况如图 5 及图 6 所示。 图 5 主梁上缘标准值组合应力分布（单位：MPa） Fig.5 The stress distribution of standard combination of the top flange plate (unit: MPa) 图 6 主梁下缘标准值组合应力分布（单位：MPa） Fig.6 The stress distribution of standard combination of the bottom

8、flange plate(unit: MPa) 根据标准值组合下的应力图，可以明确看出在标准值组合情况下，主梁上缘未出现拉应力，其上缘最大压应力位于主梁根部附近，大小为14.26 MPa。主梁下缘在跨中位置产生了最大为 0.2 MPa 的拉应力，在两边跨跨中产生的最大下缘压应力为 14.26 MPa。可见，在标准值组合工况下，基本保证主梁全截面受压，主梁压应力满足 C50 混凝土抗压容许强度。结果表明该桥体外预应力筋布置合理，符合结构的受力要求。 5 体外预应力损失分析 为了在桥梁施工过程中保证体外预应力钢束张拉安全，需要对体外预应力束进行应力监测，以便进行实测值与理论值的比较，下面主要提取结

9、构一侧共八束体外预应力束 W1LW8L 的预应力损失值，通过对比各钢束的理论损失值，可以得出体外预应力结构的优越性。预应力损失主要考虑管道摩擦、混凝土收缩徐变、锚具变形、钢筋回缩等因素引起的应力损失，各钢束预应力损失情况见表 2。 表 2 体外束 W1LW8L 预应力损失统计（MPa） Tab.2 The statistic of the loss of prestress with external prestressingW1LW8L(MPa) 由统计结果可以看出预应力的理论损失值最大约为初始张拉力的14%，可见体外预应力束的理论损失值不大，可以保证在常见的预应力混凝土结构中发挥体外预应力

10、的效益。 6 极限荷载作用下体外预应力结构应力增量 体外预应力混凝土梁理论分析工作的主要内容是荷载作用下预应力钢筋应力增量的计算和极限应力的合理取值。由于体外预应力筋与梁体无粘结，预应力筋与梁体混凝土之间不存在明晰的变形协调条件。一般在外荷载作用下，预应力钢筋的应力增量取决于钢丝束锚固点之间梁体的总变形的发挥，这就会导致其在受力性能上与有粘结预应力混凝土结构有所不同。体外预应力结构应力增量可采用力法和能量变分法来计算，因此计算的结果比较精确，可采用以下公式计算： ；（1） 式中：p 为体外预应力筋的应力增量；s 为材料的抗拉弹性模量；为梁的计算跨径；为构件换算截面惯性矩；为锚固点到换算截面的形

11、心轴的距离；为预应力筋重心到换算截面形心轴的距离；为外荷载在跨中产生的弯矩；为体外预应力筋中间水平段长度与梁全长的比值；为沿梁单位水平长度除自重外的恒载和设计活载集度。 体外预应力钢筋的内力增量： 式中：s 为体外预应力钢束的面积 在极限荷载作用下的抗弯计算中，将体外预应力筋同样当作抗拉构件考虑，按照平面假定，求出抵抗结构破坏的弯矩。但是，伴随结构变形所产生的体外预应力筋的应力增量，最终的应力增量值将依据非线性分析进行安全性评价后才能给出准确结果。由于体外预应力束的应力增量并非取决于截面上的应变，而是取决于整个桥梁结构的变形，故其应力增量很小。特别是对于采用接缝的节段施工桥梁，混凝土受压区局限

12、在接缝截面之内，能够达到的极限压应变较小，导致了体外束结构的承载能力较低，延性也不理想。对这种结构的分析必须采用对结构的全过程仿真分析，才能较为精确地确定结构的最终极限承载力。对采用悬臂拼装的体外预应力混凝土桥梁结构，将有体内束穿过接缝，这些体内束的力学模型与具有完全粘结的体内预应力束又是不同的，应准确地对其进行分析，将对采用混合配束的桥梁结构的力学分析具有很重要的意义。7 结论及展望 通过对体外预应力连续刚构桥的分析，可以看出体外预应力在桥梁工程中逐渐体现出它的优越性，归纳其特点及展望如下： 1）由于预应力体系布置在混凝土体外，使得桥梁的顶板、底板及腹板等不必为满足布束要求而采用较大的厚度，

13、因此，体外预应力结构可以减小混凝土构件的截面尺寸，减轻结构自重。 2）体外预应力束一般仅在变向变距处同混凝土接触产生摩擦，其预应力损失远远小于内部预应力束的损失；预应力钢束布置在混凝土之外，便于检查、养护；能够更换，可以多次张拉，可以充分发挥预应力钢束的效应。 3） 体外预应力体系的最根本特征就是体外预应力筋和梁体混凝土之间无粘结。在外荷载作用下，预应力钢筋的应力增量取决于锚固点间的梁体总变形的发挥，而我国在体外预应力混凝土桥梁设计与计算中遇到的许多问题都是由这一特点引起的，根据目前研究资料，还没能出现统一的计算方法和理论支撑，因此，需要在以后的研究中不断深入。 参考文献: 1 范立础.预应力

14、混凝土连续梁桥M.北京:人民交通出版社,1988,81106. 2 雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计M.北京:人民交通出版社,2000. 3 牛斌. 体外预应力混凝土梁弯曲性能分析J. 土木工程学报,1999(4):37-44. 4 邱顺冬.桥梁工程软件 midas Civil 应用工程实例M.北京：人民交通出版社,2011. 5 朱新实,刘效尧.预应力技术及材料设备M.北京:人民交通出版社,2005,244-254. 6 沈殷,李国平,陈艾荣. 体外预应力混凝土梁的非线性有限元分析J. 同济大学学报,2003,31 (7): 803 -807. 7 王形,王宗林,张树仁. 能量变分法求解体外索在外

15、荷载作用下的应力增量J. 东北公路,2001,24(2):72-74. Analyze on the Stress Characteristics of Externally Prestressed Concrete Rigid-frame Bridge of Highway Dou Fei,Liu Chao,Liu Zhaodan (School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,730070,China) Abstract: This paper applies the software of midas/Ci

16、vil to analyze and calculate the prestressed concrete rigid-frame bridge of highway, the calculation results show that the structure stress is reasonable.Based on the reasonable calculation model, emphatically analyze the loss of external prestress and introduce the theory of prestress increment under the ultimate loads,the conclusion of this paper can provide some references for external prestress used in the engineering of bridge. Key words:external prestressing;mdias/Civil;prestress loss; prestress increment