预应力混凝土波形钢腹板箱梁位移特性研究
李挚
预应力混凝土波形钢腹板处于不同状态下的位移特性是目前亟待解决的重点难题，也是众多学者重点关注与研究的对象。文章结合大量工程经验，建立预应力混凝土波形钢腹板箱梁比例模型进行力学特性试验研究，分析预应力混凝土波形钢腹板位移分布情况，并根据相关参数建立有限元分析模型，将有限元计算结果与试验结果进行分析对比，证明利用有限元模型研究波形钢腹板组合箱梁空间是可靠的。
波形钢腹板箱梁;ANSYS有限元;模拟分析
U441+.5A250865
0 引言
随着建筑工程规模的不断扩大与设计建设标准的不断提高，预应力混凝土箱梁跨径>40 m时，箱梁的自重就会大大增加，要用自身增大截面面积的方法来抵抗自身重量，在经济上并不划算[1]。因此，为了进一步解决该问题，现采用一种结构自重较轻，也可减少下部结构工程量的新型桥梁，即波形钢腹板箱梁[2]，来对工程的总体造价进行降低。其优点是波形钢腹板箱梁腹板处的波形钢板可使混凝土翼缘板承担预应力的加载，以及腹板处的波形钢板具有不可抵抗轴向力的特定。
本文结合柳州至南宁高速公路改扩建项目中18座桥梁工程的施工经验，根据箱梁预制数量、合同工期要求和本项目总体施工平面图布置结合现场实际情况，拟选择K119+280～K119+980段路基范围建设箱梁预制厂，横坡为3%，纵坡为0.7%，圆曲线半径为2 800 m，满足预制厂建设要求。在技术上，梁厂采用钢筋数控加工、预应力筋智能张拉系统、360°自动喷淋系统、不锈钢底板等“四新”技术保障预制梁质量。针对有限元分析不能完全反映工程细节这一弊端，制作预应力混凝土波形钢腹板箱梁比例模型，先通过对模拟比例模型力学特性的试验，得到位移分布情况，再根据相关参数建立有限元分析模型，将有限元模型分析结果与前者研究数据进行分析对比，指导日后波形钢腹板箱梁位移特性研究，试图验证箱梁计算理论的可靠性。
1 预应力混凝土波形钢腹板箱梁模型
本文采用改扩建项目中的韦寺分离式立交桥作为设计模型，为了减小预应力加载与预应力筋束布置的难度，通过稍微提高截面的高度来实现，将不完全采用缩尺寸的模型。同时为了方便模型的制作与测试，本桥模型将采用波形钢腹板来替代直腹板，用矩形截
面代替顶底板及翼板，且用栓钉连接件将其进行连接，模型的高度设置在方便混凝土浇筑的厚度之内。
1.1 试验模型的制作
1.1.1 模型的制作
本合同段为№8合同段，桩号范围为主线K107+700～K125+900，以及俭常连接线LK0+000～LK5+131，位于南宁市某区域。主线长18.2 km，公路等级为高速公路，设计时速120 km/h，沥青混凝土路面;连接线长5.13 km。试验室波形钢腹板通过压弯机制作，厚度为1.2 mm，Q235钢板;钢筋为HPB300;混凝土弹性模量为30.5 GPa、强度为C40、泊松比为0.17;采用自制加力器进行预应力加载，内外螺杆均为钢绞线穿过。
1.1.2 模型参数
该模型考虑到多功能、多实验以及便于实验的目的，再由工程概况选出参考龙联枢纽互通高仁分离式立交桥。模型采用简支梁单室截面结构，梁顶宽1.5 m，箱底宽0.75 m，梁高0.55 m，顶板厚0.07 m，底板厚0.07 m，如图1所示。模型中间横隔板采用Q235钢板，其厚度为12 mm，并且设置在跨中与1/4截面处，端横隔板的厚度仍为12 mm，如图2所示。预应力钢束共8束，其中直线束4束，折线束4束，其明细如表1所示。波形钢腹板共两个，壁厚1.2 mm。
模型折线束将跨中锚固端布置在梁上部，转折点则布置在梁的下部，与通常的简支梁不同，主要是因为梁模型还在跨中增加一个支墩的连续梁试验。本文采用了布置方式与实际简支梁不符合的原有折线束，但是实际的受力原理仍是一致的，为此进行理论分析验证是合理的。
1.2 基于ANSYS的有限元模型
采用ANSYS有限元模拟软件对预应力混凝土波形钢腹板箱梁进行建模，如图3、图4所示。根据模型梁结构及材料的特性采用三单元：设Solid45单元为顶底板与横隔板，设Link8单元与Shell163单元为预应力筋与腹板，并且建立有限元模型的尺寸與实际尺寸大小完全一致。实体单元有6个节点自由度而板单元有3个节点自由度，但是实体单元与板单元拥有相同的节点。因为两者节点自由度不同，所以实现不了协调变形与位移的情况。为了使板单元与实体单元在相交处的变形转交一致，需要对连接部分施加约束方程，才能达到两者变形协调的目的。
将板单元与实体单元进行网格划分，两者公用节点为节点2，如图5所示，约束公式如下页式（1）所示，且其他节点处的约束方程也与式（1）相同。
其中预应力采用的是杆单元，然后对杆单元施加初始应变是预应力模拟的关键点，但是混凝土在预应力作用下会存在轴向压缩变形，造成预应力损失。为此，要通过加大初始值的应变值，才能保证最后杆单元轴力的计算结果比初始值要小，并通过计算确定杆单元初始应变值，使计算后的轴力值为设计预应力施加的数值。
节点个数分别为19 732和13 750个。进行网格划分后网格数较大，板单元焦点为6个。自由度由于变形问题约束较多，简单的刚性约束不能满足要求，所以需要采用一些角度及其他约束，可以较为真实地反映现场情况。在网格划分的同时进行实体模型的划分，这种方式有利于后续计算的精确性和位移的分析，划分后进行约束方程计算，得到位移分布图，并与实体模型做对比，校核有限元模型的准确性。
2 计算结果及分析
2.1 位移试验结果与数值试验结果对比分析
通过对有限元计算结果与理论计算结果进行对比[4-6]，可在分析位移情况及应力分布情况的同时验证有限元计算的误差，从而反映预应力混凝土波形钢腹板箱梁的真实情况。具体截面位置及计算结果如图6～9所示。
分析圖6～9可知：实验测得模型在三种工况预应力作用下的各个数值。工况Ⅰ作用下，截面3存在有方向向上的最大位移1.2 mm，且截面平均误差10.8%，截面1的最大值为1.26 mm，误差为3.77%;工况Ⅱ时，截面3有0.02 mm的位移，位移方向为下，差值为0.019 9 mm，截面1最大挠度数值不大，二者相差0.009 9 mm;工况Ⅲ时，截面3出现最大位移，其数值为0.48，误差在10%附近，截面1存在方向向下的最大挠度为0.99 mm，截面平均误差为4.1%。综上，其理论计算值与有限元模拟数值结果差异不大，基本反映出制作模型与有限元模型的相似度较好，可直接对有限元模型进行分析，且误差在可控范围内，为今后波形钢腹板箱梁位移特性分析中提供借鉴的方式，方便对施工项目进行分析，并指导现场施工与监控。
2.2 应力试验结果与有限元计算结果对比分析
应力测点分为左右支座、跨中这三个工况，如图11所示，每个测点分别测试三次，且预应力加载分等级增加[7-9]（见图10）。通过选定截面后，将预应力作用下的应力验算值与有限元计算值的分布情况进行分析对比。不同工况下截面1顶底板正应力分布如图11～14所示。
由图11～14可以看出，位于偏心直线束预应力作用下的底板、形心直线束预应力作用下的顶底板及折线束预应力作用下的底板，三种情况的有限元计算值与实测应力分布一致，且全部计算值均大于实测值。
2.3 试验结果与有限元计算结果误差分析
通过有限元计算结果与截面1顶板、底板应力实验值对比分析发现，虽然数值接近但是仍然有一定的误差，其主要原因如表2所示。
2.4 顶底板正应力分布情况
三种工况预应力作用下腹板处顶板与底板正应力沿梁长分布情况，如下页图15～17所示。
如图15～17所示，偏心直线束预应力作用下腹板处的顶板与底板正应力由梁端到跨中逐渐减小。通过传统理论计算值与模拟计算值对比，位于梁端1.1 m处结果一致，梁底端最大相差0.37 MPa;通过传统理论计算值与模拟计算结果进行对比，位于形心束预应力作用下腹板处顶板与底板正应力一致，而位于折线束预应力作用下腹板处顶板与底板正应力跨中截面最大出现差值，最大相差0.17 MPa。
3 对比分析结果
（1）通过对数据和模型试验的分析，证明了模型梁在不同线性预应力作用下结构的变形与应力的分布情况，验算结果也证明了相同的结果，因此该方法可行。
（2）对模型梁顶底板正应力分析可知：在偏心直线束预应力作用下，顶底板总体处于受压状态;在形心直线束预应力作用下，各个点的应力都相同，且顶底板、截面整体都处于受压状态;在折线束预应力作用下，顶板压力由梁端向跨中逐渐增大，底板则刚好相反。
通过对桥梁有限元计算值与实桥实验值对比发现，有限元的位移计算值与实际测量值比较接近，而应力的有限元计算结果与实际测量的规律一致。
4 结语
综上所述，笔者结合所参与柳州至南宁高速公路改扩建项目18座桥梁工程的施工经验，通过对比例模型力学特性的试验得到位移分布情况，再根据相关的参数建立ANSYS有限元分模型，将有限元分析模型计算结果与前者进行对比，证明利用有限元模型研究波形钢腹板组合箱梁空间是可靠的，为今后需求制定实桥施工标准和该类型桥梁结构在工程上的应用提供参考依据。
[1]张士铎.桥梁设计理论[M].北京：人民交通出版社，1984.
[2]朱珊莹.大跨径波形钢腹板PC箱形桥梁的腹板稳定性研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.
[3]董长军.预应力对波形钢腹板箱梁受力特性的影响[D].兰州：兰州交通大学，2019.
[4]张 云.道路桥梁施工管理中的问题和解决措施分析[J].工程建设与设计，2020（24）：217-218.
[5]周 聪.波形钢腹板组合箱梁扭转性能研究[D].长沙：湖南大学，2019.
[6]董 旭.大跨波形钢腹板箱梁桥波形钢腹板及内衬混凝土抗剪性能研究[D].济南：山东大学，2018.
[7]朱德荣.波形钢腹板组合箱梁桥的力学行为研究[D].兰州：兰州交通大学，2016.
[8]郑尚敏.波形钢腹板PC组合箱梁桥动力性能研究[D].南京：东南大学，2016.
[9]陈宝春，黄卿维.波形钢腹板PC箱梁桥应用综述[J].公路，2005（7）：45-53.
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