考虑预制偏差的预应力混凝土小箱梁安全性分析

2022-09-30朱昶懋王红伟马晓璐

西部交通科技 2022年6期

朱昶懋，王红伟，马晓璐

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西南宁 530029；2.桂林理工大学南宁分校，广西南宁 530001)

0 引言

精确的箱梁尺寸是保证桥梁结构受力安全性的重要因素。实际施工过程中，由于模板设置误差等因素影响，预制箱梁实际尺寸与图纸设计值会存在偏差，偏差大小直接影响预制箱梁架设后的安全性，因此准确掌握存在预制偏差的小箱梁结构的受力状态可以确保结构安全性和避免材料浪费。目前，关于预制小箱梁的研究主要集中在施工工艺[1-3]、承载力分析[4]、性能评估[5]、病害分析[6-8]、高效和高精度制作[9-10]等方面，也有的将小箱梁制作为变截面形式[11]，这些研究有力促进了小箱梁的发展，但关于箱梁存在预制偏差的安全性的分析研究还不多。直接废弃有预制偏差的小箱梁会造成资源浪费，影响工期和成本，也不符合碳达峰和碳中和政策，由此，准确分析考虑预制偏差的预应力混凝土小箱梁安全性具有重要的现实意义。本文分别建立了预应力混凝土小箱梁的整体和细部有限元模型，从整体和细部两个方面分析预制偏差小箱梁安装后的安全性，并提出建议。

1 工程简介

某桥为三联4×35 m预应力混凝土小箱梁，梁高1.8 m。由于施工偏差导致箱梁长度变短，梁端腹板预应力钢束布置与设计图纸一样，仅跨中部位预应力水平段长度相应减短。顶板预应力钢束锚固点距梁端距离与设计图纸一样，由于连续端现浇段实际比设计宽560 mm，导致顶板预应力钢束变长560 mm。连续端最小处宽度的设计值与实际值分别是560 mm和1 120 mm；而非连续端最小处宽度的设计值与实际值分别是160 mm和320 mm。连续端和非连续端的预制梁安放示意图分别如图1和图2所示。

图1 连续端预制梁安放示意图(mm)

图2 非连续端预制梁安放示意图(mm)

2 整体结构安全性分析

2.1 有限元模型建立

采用“桥梁博士”软件进行整体静力分析，计算梁长和钢绞线长度按实际情况考虑，边界条件按实际情况模拟，按A类预应力混凝土构件进行验算。有限元模型共划分为160个单元、161个节点，整体有限元模型如图3所示。

图3 箱梁整体有限元模型图

2.2 计算结果分析

按设计说明分别采用刚性板梁法、刚性横梁法和梁格法计算，取不利者控制计算。选择效应最不利的边梁进行验算，汽车横向分布系数取0.835，人群横向分布系数取3.477。

2.2.1 正截面抗弯验算

对计算结果统计分析可知，中跨跨中和边跨的截面抗力弯矩与荷载内力弯矩比值分别是1.19和1.13，1#墩支点和2#墩支点的截面抗力弯矩与荷载内力弯矩比值分别是1.39和1.53，满足规范要求。

2.2.2 斜截面抗剪验算

针对h/2截面、箍筋变化截面、距支点0.68 m截面、距支点0.4 m截面的总抗力与设计剪力比值进行统计分析可知，总抗力与设计剪力的最小比值是1.37，位于中跨的箍筋变化截面的最大比值是4.592，位于中跨距离支点0.4 m处的主梁斜截面抗剪承载能力均满足规范要求。

2.2.3 抗裂验算

长期效应组合作用下，正应力中上缘和下缘最不利点均受压，最小正应力分别为0.57 MPa和4.31 MPa，主拉应力中最不利点的最小拉应力为0.05 MPa，均满足规范要求。短期效应组合抗裂验算结果为：正应力中上缘和下缘最不利点均受压，最小正应力分别为0.57 MPa和3.12 MPa，主拉应力中最不利点的最小拉应力为0.146 MPa，均满足规范要求。

2.2.4 应力验算结果

对主梁混凝土应力进行分析，中上缘和下缘最不利点的最小拉应力分别为15.2 MPa和15.9 MPa，小于允许值16.2 MPa。最不利点的最小拉应力为15.9 MPa，小于允许值19.4 MPa。结合截面上下缘压力包络图可知，主梁混凝土压应力满足规范要求。

2.2.5 挠度验算结果

主梁最大挠度值为16.2 mm，小于容许值58.3 mm，满足规范要求。

3 细部结构安全性分析

3.1 有限元模型建立

为了研究箱梁长度变短对结构的影响，选择边梁，采用ANSYS软件建立设计状态下模型作为基准模型(见图4)，建立考虑施工偏差的模型作为偏差模型，对比分析两种情况下结构的安全性。计算梁长和钢绞线长度按照设计图纸考虑，边界条件按实际情况模拟。

图4 箱梁三维实体有限元模型图

(1)基准模型：以箱梁的纵向为X轴，横向为Y轴，竖向为Z轴。模型共计有单元223 688个、节点272 388个，其中箱梁采用Solid 185单元模拟，有单元220 608个、节点269 247个，预应力钢绞线采用Link 180模拟，有单元3 080个、节点3 141个。基准模型连续端现浇段实体细部如图5所示。

图5 基准模型连续端现浇段实体细部视图

(2)偏差模型：以箱梁的纵向为X轴，横向为Y轴，竖向为Z轴。模型共计有单元235 174个、节点284 370个，其中箱梁采用Solid 185单元模拟，有单元232 284个、节点281 419个，预应力钢绞线采用Link 180模拟，有单元2 890个、节点2 951个。偏差模型连续端现浇段实体细部视图如图6所示。

图6 偏差模型连续端现浇段实体细部视图

3.2 材料和荷载参数取值

3.2.1 材料参数取值

钢绞线的弹性模量是2.06×1011，泊松比是0.3，密度是7 850 kg/m3，C50混凝土弹性模量是3.45×104MPa，泊松比是0.2，密度是2 600 kg/m3。

3.2.2 荷载参数取值

汽车荷载为城-A级，人群荷载为3.5 kN/m2，支座沉降为5 mm，不考虑混凝土铺装参与受力。

4 细部受力分析

4.1 边支点现浇连续端分析结果

4.1.1 基准模型

针对基准模型边支点的连续端现浇段处，纵向应力SX分布如图7所示，第1主应力S1分布如图8所示。由图可知，基准模型边支点的连续端现浇段处的纵向应力SX和第1主应力S1均小于现浇段混凝土C50的抗拉强度设计值1.83 MPa和抗压强度设计值22.4 MPa，基准模型边支点的连续端现浇段处应力满足规范要求。

图7 边支点现浇连续端纵向应力SX云图(Pa)

图8 边支点现浇连续端第1主应力S1云图(Pa)

4.1.2 偏差模型

针对偏差模型边支点的连续端现浇段处，纵向应力SX分布如图9所示，第1主应力S1分布如图10所示，由图可知，偏差模型边支点的连续端现浇段处的纵向应力SX和第1主应力S1均小于现浇段混凝土C50的抗拉强度设计值1.83 MPa和抗压强度设计值22.4 MPa，偏差模型边支点的连续端现浇段处应力满足规范要求。

图9 边支点现浇连续段纵向应力SX云图(Pa)

图10 边支点现浇连续端第1主应力S1云图(Pa)

4.2 中支点现浇连续端分析结果

4.2.1 基准模型

基准模型中支点的连续端现浇段处，纵向应力SX分布如图11所示，第1主应力S1分布如下页图12所示，由图可知，基准模型中支点的连续端现浇段处的纵向应力SX和第1主应力S1的应力均小于现浇段混凝土C50的抗拉强度设计值1.83 MPa和抗压强度设计值22.4 MPa，基准模型中支点的连续端现浇段处应力满足规范要求。

图11 中支点现浇连续端纵向应力SX云图(Pa)

图12 中支点现浇连续端第1主应力S1云图(Pa)

4.2.2 偏差模型

偏差模型中支点的连续端现浇段处，纵向应力SX云图如图13所示，第1主应力S1云图如图14所示。由图13～14可知，偏差模型中支点的连续端现浇段处的纵向应力SX和第1主应力S1的应力均小于现浇段混凝土C50的抗拉强度设计值1.83 MPa和抗压强度设计值22.4 MPa，偏差模型中支点的连续端现浇段处应力满足规范要求。