道路桥梁工程现浇箱梁受力特性有限元分析

陈果

身份证号码：511002198401261210

摘要：根据工程实际信息，在midas软件构建钢箱梁的有限元模型，分析钢箱梁在静载荷作用下的应力应变以及挠度结果，同时计算钢绞线的伸长量。

关键词：道路桥梁工程；现浇箱梁；受力特性；有限元分析

1工程概况

以某城市道路桥梁总长度为85.8m，宽度为28m，该工程的建设地整体较为平坦，呈现西南相对较高，东北方向则低缓倾斜。桥梁上部结构主要采用现浇预应力钢箱梁结构，其中主梁为单箱4室断面，端横梁和中横梁的厚度分别为1.5m和2.8m；外腹板和顶板之间设计圆弧过渡结构，该圆弧的倒角为0.6m；桥梁的边缘翼缘长度在设计过程中结合线路线性和宽度的变化进行调整。梁体使用的混凝土为C50等级，混凝土相关构件均按照A类预应力进行设计，载荷为城市用-A级。

2钢箱梁有限元模型构建

道路桥梁钢箱梁施工包含支架搭设、模板安装、箱梁钢筋施工、钢梁混凝土浇筑、施加预应力、孔道压浆以及封锚7个重要工艺步骤。钢箱梁在施工时，主要采用水载荷预压和预应力等效载荷预压的组合方式完成预压处理，并且在预压前，需对钢箱梁支架的地基进行处理，确保其满足承载力需求；与此同时，需对支架的弹性形变进行测试，对地基、支架和模板之间存在的弹性变形进行相关处理，避免该弹性影响预压效果。为了分析现浇钢箱梁在载荷作用下的受力特性，利用midas软件构建钢箱梁有限元模型，模型共划分成1880个节点和2020个单元，如图1所示。混凝土材料物理性能参数见表1，预应力钢束物理性能参数见表2。

图1钢箱梁有限元模型

表1混凝土材料性能参数

3基于有限元模拟的钢箱梁静载测试

3.1载荷测试

静载测试主要是对钢箱梁在最不利工况下的受力特性进行测试，测试时，以现场考察结果为基础，主要针对施工过程中结构受力最不利的位置进行静载荷测试。

3.1.1测点布置

在进行静载测试时，需进行测点布置，钢箱梁在静载荷作用下的应力应变采用弦式应变计完成，其测点位于钢箱梁跨中梁的底板、腹板和底板的交界处、腹板和顶板的交界处，每个位置均布置2个测点。挠度测试则采用水准仪和百分表完成，在钢箱梁中心线和两个支座断面位置均布置2个测点。

3.1.2静载测试效率系数计算

静载测试是以保障钢箱梁结构安全为前提，并且在试验过程中需对载荷的位置和大小进行严格控制，通常应用时，静载测试效率系数ηq计算公式为：

式中：Smax——钢箱梁测试位置发生的最大变位；

S′——设计的最大变位结果；

γ——动力系数。

3.1.3载荷加载规则

在极性静载测试时，载荷的施加需按照一定标准完成，文中采用加载车实现载荷施加，一个加载车的荷载为450kN左右，进行3个等级加载，每一级的加载梯度为900kN左右，共用6台加载车施加。静力加载持续时间是依据各个测点位置的钢箱梁结构达到最大应变，且钢箱梁的稳定性不受到影响时的时间为准，而该试验的时间超过15min。当加载超载后会导致钢箱梁结构发生破坏，降低钢箱梁结构的安全性。因此，当结构的多个位置发生开裂，且宽度大于允许的标准时停止加载；此外，钢箱梁其他位置发生破坏时也需停止加载。

3.2受力性能计算

3.2.1预应力钢绞线理论张拉伸长量计算

预应力钢绞线是钢箱梁施工时的主要施工部分，在施工过程中，需按照设计图纸中的钢绞线布置和理论伸长量进行核对，理论伸长量ΔL的计算公式为：

式中：P——张拉端的张拉力；

Pˉ——预应力筋拉张力均值；

L——张拉断和计算面之间的孔道长度；

AP——预应力钢绞线的截面积；

EP——预应力钢绞线的弹性模量。

Pˉ的计算公式为：

式中：K——影响系数；

μ——摩擦系数；

θ——夹角和，对应张拉段和钢箱梁跨中曲线孔道

切线之间。

3.2.2预应力钢绞线实际张拉伸长量计算

对预应力钢绞线进行张拉前，先确定其初始预应力，用λ初表示，在此基础上进行预应力张拉施工和伸长值量测；实际伸长量是张拉时测量的伸长量和λ初情况下的伸长量的总和。在测量过程中，实际伸长量通过千斤顶的行程进行推测，在λ初的情况下，张拉力为10%，加载至20%的张拉力后，两端同时加载至103%，并保持该载荷5min，计算此时的实际伸长量ΔL实，其计算公式为：

式中：ΔL3、ΔL2和ΔL1——均表示伸长量，三者依次对应103%张拉力、20%张拉力以及10%张拉力的情况下的伸长量。

4测试结果分析

4.1应力应变和挠度结果分析

依据上述试验方法，获取各个测点的应力应变以及挠度的测试结果，如图2和图3所示。其中理论应变结果低于190με，最大位移结果在-20mm范围内。

图2应力应变结果分析

图3挠度结果分析

对图2和图3测试结果进行分析后可知：钢箱梁最不利工况在载荷作用下，其应力应变发生在局部中心区域，最大应变结果达到151με，理论应变结果为190με；因此，满足理论上的受力需求。除此之外，各个挠度测点在载荷作用下，挠度大小随着载荷的增加逐渐增加，载荷的减小而降低；载荷作用下，发生的最大位移结果15.2mm，均在允许的位移范围内。因此，钢箱梁在载荷作用下，没有发生明显破坏，具有较好的回弹性以及承载力。

4.2钢绞线伸长量分析

以钢箱梁施工时两处不同位置的长度相同的钢绞线张拉测试结果见表3。理论上允许的总伸长量为440mm。

表3钢绞线伸长量测试结果

对表3测试结果进行分析后可知：钢箱梁施工后，钢绞线在不同张拉状态下，ΔL3、ΔL2和ΔL1也发生不同的变化，在103%张拉力的情况下，两个位置上的钢绞线实际的伸长量ΔL3分别为238mm和227mm，实际伸长量ΔL实的结果分别为219mm和220mm，两者的总结果为439mm，低于理论上允许的总伸长量440mm，满足设计要求。

5结语

钢箱梁又叫钢板箱形梁，是大跨径桥梁常用的结构形式。现浇钢箱梁在载荷作用下的受力特性直接决定桥梁整体的稳定性。

参考文献

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