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峙则邢
7 years ago
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1 预应力混凝土桥梁精细化全过程数值模拟技术 [ 李正 ] [ 江苏省交通规划设计院股份有限公司,210005] [ 摘要 ] 传统的桥梁结构分析采用平面杆系, 已经不能满足精细化设计科研监控的要求本项目以 ANSYS 为二次开发平台, 开发了出预应力混凝土桥梁精细化数值模拟系统采用以空间实体单元为基础的精细化总体模型, 可以在设计或施工验算阶段发现并解决大部分问题, 而且具有快速准确的特点综合运用精细化总体模型和子模型技术, 在保证计算精度的基础上, 降低模型规模和复杂程度, 提高了工作效率以此为基础, 运用钢筋混凝土单元进行全过程分析, 可以高效地估算裂缝的宽度和严重程度的, 评估增加钢筋量等措施对结构的改善效果本文分析了一座滑模逐跨施工的预应力混凝土箱梁桥, 重现了各种措施对底板裂缝控制的效果, 分析表明该技术便捷准确, 实用性强 [ 关键词 ] ANSYS 二次开发预应力混凝土桥梁子模型钢筋混凝土单元 Numerical simulation technique for the whole process of Prestressed concrete bridges [ li zheng ] [Jiangsu Provincial Transportation Planning & Design Institute, ] [ Abstract ] Traditional methods for analysis of the bridge structure have been unable to satisfy more accurate design, research, monitoring requirements. ANSYS has been chosen in this project as a secondary development platform, and a Prestressed concrete bridges numerical simulation system is developed. Using a accurate overall model, the deficiencies can be discovered and solved most quickly and accurately by checking calculation during design or construction. By means of the synthetic use of accurate overall model and submodeling, the calculation precision can be satisfied and the complicity and difficulty can be reduced. On this basis, the use of reinforced concrete elements in the process of analysis can be effectively assessed. Crack width has been calculated and effects of reinforcement bar amount on the structural behavior can be evaluated. A prestressed concrete box girders by stepping formwork construction method is selected in the research. The actual effect of various measures of the control of cracking is exactly showed. The numerical result showed that the method is effective with a high accuracy.

2 [ Keyword ] ANSYS Secondary development Prestressed Concrete Bridges Submodeling solid65 element 1 前言预应力混凝土桥梁是最常用桥型之一然而这些桥梁在施工阶段表现出不同类型不同程度的病害, 如 : 悬浇箱梁施工期间沿着腹板下弯束出现裂缝底板崩裂 ; 滑模逐跨施工在施工缝附件底板出现纵向裂缝产生病害的原因是多方面的, 重要原因之一在于我们没有完全掌握桥梁作为大型空间结构的受力变形行为采用传统的桥梁结构分析方法已经不能满足精细化设计科研监控的要求, 我们需要采用预应力混凝土桥梁受力全过程精细化数值模拟技术如需精确模拟桥梁结构的受力状况, 就须采用包含以三维实体单元为基础的大型有限元软件但通常大型通用有限元软件在处理桥梁结构混凝土材料收缩徐变预应力模拟施工过程模拟活载计算等方面仍显得无能为力基于 ANSYS 平台, 开发出混凝土箱梁桥精细化数值模拟系统, 通过 UPFs[1] 来实现混凝土收缩徐变钢束松弛等材料层次的模块开发, 预应力系统模块建模助手活载加载模块均通过编写 APDL[2] 的宏来实现 2 精细化全过程数值模拟 2.1 总体模型的精细化传统的桥梁分析软件是以 2D 的梁单元为基础的, 这些软件使用简便技术成熟与规范配套, 而且能抓住结构纵向总体内力应力位移等重点要素但它不能进行桥梁空间受力变形行为的分析上面提到的问题能一再重演, 除了信息传递不顺, 设计施工人员的结构分析手段的制约也是个重要因数采用精细化总体模型, 可以在计算中发现大部分问题, 从而可以事前解决, 而不是施工时出了问题找原因即使在出了问题后找原因, 也能快速准确总体模型应考虑混凝土收缩徐变预应力效应施工过程模拟等 2.2 子模型技术通常对于受力复杂的部位, 需要建立局部模型进行分析这时就会遇到一个棘手的问题, 边界条件如何确定? 如果总体模型采用梁单元, 为了使边界条件不影响计算结果 [4], 局部模型就需要很大子模型 [3] 是得到总模型部分区域更加精确解的一种有限单元技术, 又称为切割边界位移法, 用整体模型切割边界的计算位移值作为子模型的边界条件精细化总体模型是采用子模型技术的基础子模型技术在桥梁结构分析中用的比较少, 与缺少能方便地建起精细化总体模型的工具是密切相关的采用精细化总体模型可以得到更准确的边界条件, 从而减小子模型规模, 提高计算效率反过来说采用子模型技术, 总体模型也不需要太细, 如横隔板上人洞预应力锚固齿板支座上尺寸预应力管道等在总体模型中就不需考虑在总体模型分析完成后, 对需要细化的地方再用子模型进行分析总之, 精细化总体模型是采用子模型技术的基础 ; 综合运用精细化总体模型和子模型技术, 在保证计算精度基础上, 降低模型规模和复杂程度, 提高了工作效率

3 2.3 全过程分析全过程分析不仅指施工过程的仿真分析, 还包括混凝土结构非线性 ( 如混凝土开裂 ) 分析目前绝大部分的桥梁结构分析还是停留在线弹性范围内不管是钢筋混凝土桥梁还是预应力混凝土桥梁, 一旦混凝土开裂, 采用线弹性分析, 是无法估算裂缝的宽度和严重程度的, 也无法评估增加钢筋量等措施对结构的改善效果这时我们需要用钢筋混凝土单元 [6] 进行非线性分析但桥梁病害很多情况是桥梁局部的, 其它地方还处于线弹性工作状态 ( 如前面提到的滑模施工中施工缝处底板开裂 ) 因此总体模型建议采用混合单元, 即预计会开裂的部分采用混凝土单元, 子模型中按照混凝土单元详细建模 3 应用工程概况 3.1 结构简介某 50 m 跨预应力混凝土等截面单箱单室连续箱梁桥, 梁高 2.8m, 箱顶宽 16.4 m, 底宽 6.5 m, 梁高 2.8 m, 底板厚度为 0.25~0.75 m 箱梁采用 50 号混凝土箱梁为双向预应力混凝土结构, 主梁除布置纵向预应力束外, 在桥面板内设有横向预应力束顶板束 : 6 束 15Φ15.2, 长 16m 单端张拉 = =190 腹板束 : 12 束 22Φ15.2, 使用连接器腹板束 : = 束 15Φ15.2, 使用连接器 650 底板束 :12 束 15Φ15.2, 横梁处交叉锚固图 1 纵向预应力钢束布置图 3.2 施工简介图 2 MSS 移动模架图采用移动模架逐跨施工在进行第 2 现浇段的施工中, 在已浇注的悬臂段箱梁底板上发现了有裂纹, 裂纹最长为 3.05 m, 最宽为 0.12 mm, 底板中央裂缝最长, 向两边依次缩短, 裂纹大致分布在此施工段悬臂端底板预留的波纹管下 [7] [8] [9]

4 梁轴线第 1 施工段施工缝第 2 施工段图 3 第一施工段裂缝示意图根据对裂纹原因认识的逐步深入, 分阶段对箱梁施工进行了如下改进 [7] [8] [9]: 第一次采取措施 : 施工时在第二现浇施工段采取悬臂端底板处加设钢筋, 第二现浇施工段悬臂端底板锚点由上移到锚固在顶板腹板位置处结果第二现浇施工段悬臂端裂纹的数量减少, 长度变短, 宽度变窄第二次采取措施 : 在第三现浇施工段施工时采取了锚点上移, 悬臂端部增设横隔墙的措施结果第三现浇施工段悬臂端裂纹, 长度变短, 宽度变窄, 但总体改善不明显第三次采取措施 : 在第四现浇施工段结合第三现浇施工段时的改进经验, 施工时采取了锚点上移, 底板加设钢筋, 在箱梁悬臂段增设横隔墙, 及将第五现浇施工段 MSS 移动模架后吊点后移到离施工缝 3.75 m 处的措施结果第四现浇施工段悬臂端没有出现裂纹 4 精细化分析 4.1 计算模型根据施工图建了一联 5 50 m 的总体模型, 在划分单元时, 根据荷载的作用位置将全桥沿纵桥向不大于 0.5 m 划分, 横向和竖向不大于 0.5m, 板厚方向加密预应力钢筋的根数及位置, 预应力损失按规范要求由程序自动计算全桥 8 节点单元 (SOLID45) 个, 杆单元 (link8) 个, 个节点下图为空间实体模型和预应力系统虽然本系统可以考虑混凝土收缩徐变的影响, 为减少运算时间, 在研究分析的计算过程中, 没计入这些因素的影响为考虑混凝土开裂影响, 总体模型中施工缝处底板采用 Solid65 单元模拟, 钢筋按各个方向含筋率定义在子模型中底板横向钢筋采用 Link8 单元按照实际位置定义, 横向钢筋与混凝土之间按无滑移模型模拟, 以保证钢筋单元和混凝土单元之间的变形协调性, 混凝土开裂强度按照 3MPa 考虑

5 图 4 总体模型和预应力系统 4.2 主要的施工阶段荷载施工第二孔时第一孔箱梁受到的荷载有 :(1) 作用于箱梁梁顶面腹板处的模架支反力 2 400t;(2) 锚固于施工缝截面的纵向预应力 ;(3) 锚固于悬臂端箱梁底板上的底模锚点力 4 5t;(4) 及悬臂段箱梁体的自重 ;(5) 桥面板横向预应力其后各阶段所受荷载根据改进措施进行调整 t t t t t 图 5 节段受力简图 4.3 分析结果第一施工段图 6 第一施工段底板横向应力图

6 图 7a 7b 第一施工段底板横向应力图 (solid45 子模型 ) 施工缝处钢筋应力 (solid65 子模型 ) 根据总体模型, 底板的横向拉应力如图 6 所示, 箱梁底板最大拉应力水平在 10 MPa 左右, 在这样的拉应力水平下, 可以推断底板中央区域必然开裂, 根据名义拉应力分布说明底板中央部位的裂缝要比两侧裂缝长底板下缘拉应力较大区域要比上缘大, 下缘裂缝应比上缘宽对应力较大区域应用子模型技术, 可以看出受到底板预应力孔道局部削弱的影响, 孔道局部拉应力达到 22MPa( 如图 7a), 可以推测裂缝应当出现在底板预留孔道的上下侧在总体模型中应力较大区域, 采用混凝土单元 Solid65 模拟, 钢筋按各个方向含筋率定义, 在对应子模型中底板横向钢筋采用 Link8 单元按照实际位置定义底板上下缘各有 1 层 Φ16@150 mm 钢筋, 施工缝处底板下缘第一排横向钢筋最大应力达到 266 MPa( 如图 7b), 参照规范可计算得到最大裂缝宽度约为 0.20 mm, 与现场实测的最大裂缝宽度基本吻合第二施工段 ( 第一次采取措施 ) 图 8 第二施工段底板横向应力图

7 图 9 第二施工段底板横向应力图 (solid45 子模型 ) 施工缝处钢筋应力 (solid65 子模型 ) 第一次采取措施后 ( 锚点上移 ), 底板的横向最大拉应力由 10 MPa 左右减小到 8MPa 左右 ( 如图 8), 孔道局部名义拉应力减小到 20MPa( 如图 9a) 悬臂端底板处加设钢筋, 底板钢筋增加一倍, 即上下缘各有 1 层 2Φ16@150 mm, 分析结果如图 9b, 底板横向钢筋最大应力可由 266 MPa 降低到 156 MPa, 最大裂缝宽度减小到 0.12 mm 与现场观察结果 ( 裂纹的数量减少, 长度变短, 宽度变窄 ) 一致第三施工段 ( 第二次采取措施 ) 图 10 第三施工段底板横向应力图

8 图 11 第三施工段底板横向应力图 (solid45 子模型 ) 施工缝处钢筋应力 (solid65 子模型 ) 第二次采取措施后 ( 锚点上移, 增设横隔墙 ), 底板的横向最大减小到 6MPa 左右 ( 如图 10), 孔道局部名义拉应力减小到 13MPa( 如图 11a) 若悬臂端底板处不加设钢筋, 根据采用混凝土单元子模型分析结果 ( 如图 11b), 底板横向钢筋最大应力为 121 MPa, 最大裂缝宽度 0.09 mm 与第一次采取措施相比, 裂缝总体改善不明显第四施工段 ( 第三次采取措施 ) 图 12 第四施工段底板横向应力图

9 图 13 第四施工段底板横向应力图 (solid45 子模型 ) 施工缝处钢筋应力 (solid65 子模型 ) 第三次采取措施后 ( 锚点上移, 增设横隔墙, 底板加设钢筋 ), 底板的横向最大减小到 4.5MPa 左右 ( 如图 12), 大于混凝土开裂应力的区域减小到横隔墙以外, 孔道局部名义拉应力减小到 9MPa( 如图 13a) 根据采用混凝土单元子模型分析结果 ( 如图 13b), 底板横向钢筋最大应力降低到 57 MPa, 而且范围很小, 对应最大裂缝宽度减小到不到 0.04 mm 基本可控制可见裂纹的出现 5 结论 1 本文分析了一座滑模逐跨施工的预应力混凝土箱梁桥, 重现了各种措施对底板裂缝控制的效果, 分析表明该技术便捷准确, 实用性强 2 采用精细化总体模型, 可以在设计施工验算阶段发现并解决大部分问题, 而且具有快速准确的特点 3 综合运用精细化总体模型和子模型技术, 在保证计算精度基础上, 降低模型规模和复杂程度, 提高了工作效率 4 在此基础上, 运用钢筋混凝土单元进行非线性分析, 可以高效地估算裂缝的宽度和严重程度的, 评估增加钢筋量等措施对结构的改善效果 [ 参考文献 ] [1] Programmer s Manual for ANSYS [2] ANSYS APDL Programmer's Guide [3] ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide [4] 陈启飞, 李爱群, 赵大亮, 王浩预应力混凝土斜拉桥主梁局部应力子模型分析及试验东南大学学报 2007 年 3 月 [5] 江见鲸, 陆新征, 叶列平混凝上结构有限元分析清华大学出版社 2005

10 [6] 曹三鹏, 刘钊, 岳力强移动模架施工 PC 连续梁桥悬臂段箱梁空间效应不利影响及其防治措施公路交通科技 2006 年 12 月 [7] 胡成, 曹三鹏, 吴元某 PC 连续箱梁裂缝成因及防治措施合肥工业大学学报 2006 年 7 月 [8] 石启印, 金益桓, 黄晓平 50m 跨箱梁底板裂纹分析与建议四川建筑科学研究 2008 年 4 月姓名单位李正江苏省交通规划设计院股份有限公司地址南京市中山南路 342 号电话手机 Lizheng_xx@263.net

+ 四川理工学院学报自然科学版 ((((( ((((((( 年月采用精轧螺纹钢筋箱梁采用 6- 混凝土考虑到箱梁采用挂篮悬臂浇筑的施工方法主梁节段划分主要根据挂篮的最大承载力确定节段长度 - /7 / 共. 段悬臂浇筑节段每节段重量不超过 % 8 块长 / 边跨支架现浇长. / 边

+ 四川理工学院学报自然科学版 ((((( ((((((( 年月采用精轧螺纹钢筋箱梁采用 6- 混凝土考虑到箱梁采用挂篮悬臂浇筑的施工方法主梁节段划分主要根据挂篮的最大承载力确定节段长度 - /7 / 共. 段悬臂浇筑节段每节段重量不超过 % 8 块长 / 边跨支架现浇长. / 边第卷第期年月文章编号四川理工学院学报自然科学版!"#$%&##'##%##% ( )*!" 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝病害的加固方法分析高杰福建船政交通职业学院福州 - ## 摘 # 要以某高速公路上三跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥作为背景工程针对该桥墩顶和跨中出现的大量裂缝进行机理研究根据裂缝产生机理选择体外布置预应力束的加固方法应用空间杆系有限元精细化分析程序 $#*$