先张法预应力混凝土空心梁受弯极限承载力分析

先张法预应力混凝土空心梁受弯极限承载力分析

0空心梁底板裂纹产生机理首先，采用法测法空心梁的优点，集施工速度快、质量好、板材少、预测高度等。然而，由于施工条件的限制，它通常用于30米以下的桥梁。近期在施工现场发现了一些纵向裂缝出现在空心梁底板的中部,受施工单位委托,应用有限元软件ANSYS对这些空心梁的施工工艺及产生裂纹的过程进行了仿真模拟计算和研究,提出了通过改进施工工艺,即改变浇注预应力空心梁混凝土的方法,由一次性从侧模浇注混凝土成型改成先浇注空心梁底板混凝土,而后再浇空心梁侧板混凝土的方法,可以很好地限制裂缝产生,分析成果在《钢筋混凝土桥梁底板裂纹成因的有限元分析》一文中进行了详细阐述。本文采用分离式有限元模型进一步分析研究改进施工工艺后的先张法预应力混凝土空心梁的受弯极限承载力,分析全过程从开始张拉钢绞线至空心梁受力破坏。1空心梁的截面形式、截面尺寸、内部钢筋配置仍然采用有限元软件ANSYS弹塑性计算功能对先张法预应力空心梁的承载力进行分析。先张法预应力空心梁的截面形式、截面尺寸及内部钢筋配置情况见图1,空心梁长13m,混凝土采用C50(Rc=28.5N/mm2,Eh=35×103N/mmC50(Rc=28.5Ν/mm2,Eh=35×103Ν/mm2),予应力钢筋采用钢绞线(强度标准值Rbyyb=1860MPa,弹性模量E=195GPa).1.1空心梁间一维链杆有限元模型混凝土单元采用ANSYS中的Solid65单元,该单元为8节点6面体单元,预应力钢绞线采用ANSYS中的Link8空间一维链杆单元,有限元模型如图2所示。假设所有单元共用节点位移协调,利用对称性取一半结构进行分析,将自由度约束加在空心梁h/2高处,形成一简支梁模型,全模型共划分单元1898个,其中Solid65单元1664个,Link8单元234个。采用对预应力空心梁施加均布面荷载的方法来模拟空心梁在营运阶段受到的汽车等活荷载的作用,荷载施加示意图如图2示。1.2加载方法和求解根据先张法预应力空心梁的受力特点,采用多阶段和多子步数方式模拟完成整个加载过程,具体操作分四阶段,加载情况见表1.(1)应用准备阶段对钢绞线单元施加温度荷载,模拟预应力混凝土空心梁施工阶段钢绞线张拉的整个过程。(2)空心梁下初始受拉模拟空心梁在成桥运营阶段所承受的汽车、挂车等活荷载,对预应力空心梁上表面施加面荷载,直至梁底预压应力消耗完毕,底部开始受拉并使底部混凝土拉应力达到其抗拉强度ft而即将出裂为止。(3)使用过程中的中断阶段继续施加面荷载,空心梁的底部出现裂缝。(4)使用过程中的损害级别再继续施加面荷载,直至空心梁发生破坏,丧失极限承载能力.1.3钢绞线应力分析用分离式模型和上述加载方案对先张法预应力混凝土空心梁受弯极限承载力进行全过程模拟仿真研究后,得到各阶段特征荷载值及对应的跨中节点位移、跨中挠度及钢绞线应力值数据见表2.钢绞线在各荷载阶段的应力变化情况见图3,予应力空心梁跨中位移在各荷载阶段的变化情况见图4,予应力空心梁跨中挠度随面荷载的增加而变化的关系曲线见图5.同时,张拉钢绞线达到最大控制应力时,空心梁底部受压上部受拉而形成反拱变形及各截面的挠度值见图6,梁破坏时钢绞线的应力变化情况见图6.2空心梁的荷载—数据和结果分析用有限元理论分析先张法预应力空心梁知:(1)对预应力钢绞线施加温度荷载(施工阶段的预应力空心梁),使张拉控制应力达到施工要求的最大值为1395Mpa,测出钢绞线的应力为1329.58Mpa,与张拉控制应力差值为64.42Mpa,见图3～图5中A点,钢绞线应力减少的原因,主要是预应力空心梁受到预压力后产生弹性压缩变形,引起张拉的钢绞线产生相同的压缩变形而将应力转移到混凝土中承受,从而引起的预应力损失。跨中节点的位移为13.433mm,空心梁最大反拱值为13.462mm,说明梁最大反拱点发生在空心梁的跨中部位。(2)对预应力混凝土空心梁上表面施加均布面荷载(使用阶段的预应力空心梁),荷载值由0增至59.247KN/m2时(相当于图3～图5中的AB段),荷载～挠度关系线呈明显的线性变化,说明荷载作用初期预应力混凝土空心梁受力处于完全弹性状态;到了B点,预应力混凝土空心梁底部即将产生初始裂缝,此时受拉混凝土开始退出工作。B点处钢绞线的应力为1410.36Mpa,空心梁已经产生向下的弯曲变形,跨中节点的最大位移变为-7.230mm,跨中节点最大挠度变为20.662mm.(3)均布面荷载达到图3～图5的B点后,迅速就进到C点,此时面荷载值基本不变(C点面荷载值为59.253KN/m2),但钢绞线应力却发生突变,达到了1547.04Mpa,跨中节点的位移和跨中挠度也有明显的变化。分别为-10.828mm和24.261mm,因此BC阶段为梁底混凝土出现初始裂缝后的瞬时阶段,在此阶段受拉区混凝土逐渐退出受拉工作状态,拉区应力由钢绞线承担,荷载-挠度关系开始出现非线性变化趋势。(4)再继续施加表面均布荷载,直至图3～图5中的D点,梁发生破坏,面荷载值达到73.96KN/m2,此时钢绞线的应力为1864.21Mpa,跨中节点的位移为-51.012mm,跨中节点挠度为64.445mm;因此CD阶段为裂缝不断缓慢扩展直至梁发生破坏的阶段,从图6知:梁破坏时预应力钢绞线应力达到其标准抗拉强度Rbyyb=1860Mpa(图上分析计算值为Rby=1890Mpa).3弯极限承载力用ANSYS有限元软件分析求得预应力空心梁的极限面荷载为73.96KN/m2,将空心梁等效为平面梁单元来考虑,实际工程中预应力空心梁的上表面宽度为1.3m,因此空心梁能承受的极限线荷载为:qu=p×b=73.96×1.3=96.148KN/m预应力空心梁的抗弯极限承载力为:Mu=18qul2=18×96.1×132=2030.11KN/mΜu=18qul2=18×96.1×132=2030.11ΚΝ/m式中Mu为平面梁单元承受的极限弯矩,qu为平面梁单元承受的极限线荷载,p为预应力空心梁承受的极限面荷载,b为预应力空心梁的上表面宽度。按照简支桥梁设计预应力空心梁,桥梁的设计荷载(汽-20和挂-100)等级,取最不利梁号横向荷载分布系数值mq为0.5,由《公路设计手册-桥涵基本设计资料》查知,13m跨径的预应力简支空心梁桥在上述荷载作用下的汽车等代荷载q1=3.65t/m,因此该桥的设计线荷载q′1的取值为q′1=q1×mq=3.65×0.5=1.825t/m。根据桥梁设计规范及文中计算所得平面梁能承受的极限线荷载qu和空心梁实际所承受的设计荷载q′1,可计算出该桥的安全系数k的取值为:k=qu/q1=9.61/1.825=5.274纵向裂纹变化为弄清荷载作用下裂纹对桥梁承载力的影响及改进施工方法后桥梁的抗弯承载力。我们对梁底有纵向裂纹的空心梁进行了加载试验,用百分表对裂纹进行位移观测,给梁加载到梁底横向开裂延伸到翼缘板根部,发现纵向裂纹宽度变化范围在0.03mm～0.04mm之间,且卸载后裂纹全部回到0,说明裂纹的变形为弹性变形,裂纹不会对桥梁承载力有所影响;继续加载至梁破坏,观测空心梁的抗弯极限承载力,结果与ANSYS软件模拟改进施工工艺梁的极限承载力接近。改进施工工艺后,由施工单位对近百根空心梁进行检验,结果无一出现裂纹,与采用ANSYS模拟计算结果相吻合。5