基于Ansys的30m预应力混凝土箱梁静载试验分析

李太平　刘永孝

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃　兰州　730070）



基于Ansys的30m预应力混凝土箱梁静载试验分析

李太平刘永孝

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070）

摘要：预应力混凝土等截面简支箱梁，由于其易于施工、养护的特点，使其成为桥梁施工中主要选择的对象。由于简支箱梁构件的特殊性，在施工阶段要满足质量及安全性要求，在后期运营过程中为了保证桥梁结构构建的可靠度，需对其进行成品梁静力荷载试验，并对试验结果进行理论分析，将其理论受力效应和实际受力变形相比较，观测混凝土简支箱梁在静力荷载试验工况下一系列的荷载反应，评价其实际承载能力。

关键词：静力试验荷载；理论受力效应；荷载反应；实际承载能力

作为桥梁施工的主要结构构件，预应力混凝土等截面简支箱梁，在其施工及后期养护的过程中存在优越性。而且，在目前桥梁施工的过程中，在桥梁结构构件中以大跨度连续梁配用预应力简支梁，具有经济、工艺、功能及可靠性。但是，大跨径简支箱梁均为全预应力砼，施工运营过程中不可避免地会有变形出现，需要采取措施预防或避免此种情况的出现。

本文是在施工阶段进行相应的静力荷载试验，并运用有限元分析软件ANSYS计算，对试验结果进行对比分析，通过数据分析，了解不同工况加载的过程中预应力砼等截面大跨径简支箱梁梁体应力以及其跨中位移变化情况［1］。基于此，为施工运营过程中出现的变形情况的预防或改善提供基础依据。

1　结构简介

甘肃省兰州市北环路西段工程（施家湾到培黎广场）楼梯沟桥，该桥梁纵向平坡设计，桥梁的横向坡度为1.5%。一联为4.0m×30.0m～8.0m×30.0m的装配式，部分预应力混凝土连续箱梁，其构件采用多箱单独预制，再简支安装，后现浇连续接头，是一种先简支、后连续的结构体系。桥梁宽度为2.0m×13.0m或者2.0m× 15.5m，桥梁跨径为30.0m。30.0m预应力混凝土连续箱梁的中心高度1.6m，底板宽度为1.0m，而且构件最大吊重为92t。

2　检测目的与检测项目

2.1检测目的

试验荷载作用下，控制截面的应力、挠度和裂纹开展情况及其分布特性，使其与理论计算值相互比较，检验实际结构控制截面应力、挠度和裂纹是否符合设计的要求，进一步评价成品预制混凝土箱形简支梁总体施工质量。

2.2检测项目

通过静力荷载试验确定试验荷载作用下混凝土箱形简支梁控制截面处混凝土的应力及应变；通过静力荷载试验确定在试验荷载的作用下混凝土箱形简支梁挠度；通过静力荷载试验确定试验荷载作用下混凝土箱形简支梁的裂纹的开展情况及其分布状态。

3　现场试验方案的确定

3.1试验理论依据

梁式桥结构是一种受弯结构，在其结构自重和设计荷载的共同作用下，梁的桥跨结构主要承受弯矩，因横力弯曲同时承受剪力作用。其最大弯矩出现于各跨跨中（正弯矩），而最大剪力在支座区域出现［2］。

依据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》对试验的建议要求，桥梁施工现场试验实际条件情况，试验荷载以施工现场的重物加载。内力效应比值（静力荷载试验的效率ηq）应满足的设计规范所要求的范围为0.95≤ηq≤1.05。

其中，S´为最不利计算值，是指验算荷载所产生的加载控制截面内力或位移变化的效应最不利计算值；Ss为最大计算值，是指在静力试验荷载的作用下，加载试验项目所对应的加载控制截面内力或位移变化的效应最大计算值；μ即为根据规范所取用的冲击系数的大小。

3.2试验荷载的确定

根据规范《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中的相关规定及桥梁的相关设计理论，应用有限元分析软件ANSYS模拟计算得出，梁体最大弯矩截面所承受弯矩效应之后，利用现场试验的实际条件，采用成品箱重物加载，构件加载位置为3.50、14.35m和25.20m截面位置，其试验荷载的效率系数取值为ηq＝1.00［3］。

表1　试验的等效加载工况（t）

试验的等效加载工况如表1所示，其加载方式分别图1、2、3所示。

图1　工况一

图2　工况二

图3　工况三

3.3测点布设

测点布置位置如图4所示。

图4　30m混凝土箱梁各测试截面位移、应变测点布置图

图5　预制混凝土箱形简支梁（2-5）ANSYS有限元分析模型

图6　工况1挠度分析

图7　工况1应变分析

图8　工况1应力分析

图9　工况2挠度分析

图10　工况2应变分析

图11　工况2应力分析

图12　工况3挠度分析

图13　工况3应变分析

图14　工况3应力分析

表2　梁（2-5）挠度记录分析表

表3　混凝土箱形简支梁（2-5）测点应力记录分析表

4　测试结果与分析

4.1结构挠度与应力分析

根据各级荷载下测点位置得到，B-B截面即为最大理论位移的发生处，校核截面3.5、25.2m处（A-A截面、CC截面）的挠度值，采用ANSYS（预制混凝土箱形简支梁ANSYS有限元分析模型见图5）计算出各级荷载下的理论应力值（弹性模量按3.45×104MPa计算），有限元分析结果如图6～14所示［4］。

采用Ansys软件计算整体简支箱梁在荷载作用下跨中弯矩的大小，可得其最大弯矩值差值不大，该试验分别列出逐级加载过程中所得出的挠度记录分析表（见表2）、应力记录分析表（见表3），得出2-5箱梁加载变形分析图（见图15）［5］。

图15　2-5箱梁加载变形分析图

4.2结构挠度曲线与应力曲线绘制

根据试验分别列出的逐级加载过程中所得出的挠度和应力记录情况，绘制出2-5梁荷载-及应力曲线和挠度曲线分别如图16、17所示［6］。

图16　2-5梁荷载-及应力曲线

图17　2-5梁荷载-及挠度曲线

5　结论

①如图16、17所示，各级静力荷载加载情况下截面的应力-荷载、荷载-挠度曲线呈现线性关系，即在设计荷载、二期恒载的作用下，箱梁梁体的应变、挠度的变化均在线弹性的范围之内，表明符合静力学中对梁体变形的要求。

②卸载完成后残余应变值，其最大残余应变值为15.6%，小于规范所要求的限值20.0%。

③在加载过程和卸载之后，梁体的整体性能均正常，没有明显变形裂纹出现，裂纹特性符合相应规范的要求。

④在最大静力试验的等效荷载作用下fs=19.38mm，而最大竖向挠度允许值则为［f］=32.25mm（［f］=Lp/600），试验实测值也小于按规范要求和有限元理论得出的理论计算值，即梁体整体刚度满足规范所要求的变形要求。

⑤符合《公路工程质量检验评定标准》的相关质量标准要求，在运行的过程中安全系数较高［7］。

参考文献：

［1］黄国权.有限元法基础及ANSYS应用［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［2］江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析［M］.西安：陕西科学技术出版社，1994.

［3］王春芬.旱区铁路混凝土桥梁耐久性及安全性评估［D］.西安：西安建筑科技大学，2011.

［4］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］陆新征，江见鲸.用ANSYS Soild65单元分析混凝土组合构件复杂应力［J］.建筑结构，2003，23（6）：22-24.

［6］潘志强.桥梁承载力评定方法的探讨［J］.水道港口，2003（l）：51-55.

［7］GB50010-2002.混凝土结构设计规范［S］.

中图分类号：U446.1

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0112-04

收稿日期：2015-12-22

作者简介：李太平（1985-），男，硕士，研究方向：道路与铁道工程。

Based On Ansys 30m Prestressed Concrete Section Box Nicole Residual Experimental Analysis

Li TaipingLiu Yongxiao
（Civil Engineering College,LanZhou JiaoTong University,Lanzhou Gansu 730070）

Abstract:Prestressed concrete cross section such as simply supported box girder as a kind of easy construction and maintenance of bridge structures,become the main choice of bridge construction object,due to the particu⁃larity of simply supported box girder components,to meet the requirements of quality and safety in the construc⁃tion stage,in the later operation process in order to guarantee the reliability of bridge structure construction, must be on the finished product Liang Jingli load test,and carries on the theoretical analysis of the experimen⁃tal results,the force effect compared with the actual stress deformation theory,and observation of concrete sim⁃ply supported box girder under the working condition of the static load test of a series of load response,evaluate its actual bearing capacity.

Keywords:equivalent test load;theoretical stress effect;load response;practical bearing capacity