預應力連續寬箱梁頂板空間分析

練俊江 李鵬飛

（重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074）

1 空間模型

1.1 ANSYS建模

本文采用通用有限元軟件ANSYS模擬大橋。由于需要分析預應力的空間效應，將預應力鋼束和混凝土單獨建立。本文建立剛構橋的1#～12#梁段，長度為41米，見圖1。

混凝土采用SOLID65單元。鋼束采用LINK8單元。對于預應力加載采用初始應變法，通過鋼束的收縮變形將預應力加載到混凝土中。采用CEINTF命令對鋼束單元的節點和其周圍混凝土單元的節點進行約束，將混凝土和鋼束連接起來。模型的邊界條件為一端固結，另一端自由。

1.2 計算參數

混凝土自重26.5KN/m3，彈性模量3.37×104Mpa，泊松比取0.1667。鋼絞線彈性模量采用1.95×105Mpa，鋼絞線密度采用78.5KN/m3，重量加速度取9.8m/s2。

圖1 梁段立面圖圖

2 箱梁預應力空間效應分析

2.1 工況

工況1：自重。工況2：自重+縱向預應力。工況3：自重+縱向預應力+橫向預應力。工況4：橫向預應力。工況5：自重+縱向預應力+橫向預應力+豎向預應力。

2.2 頂板上緣應力分析

圖2為箱梁頂板上的6個應力點。分析截面A、B、C、D、E、F，6個節點在各個工況下的應力。

圖2 應力點位置圖

2.3 頂板上緣應力縱向變化（見圖1）

圖3 B點應力縱向變化曲線

圖4 D點應力變化曲線

圖3為頂板上緣B點應力隨橋縱向變化曲線，可以看出在恒載（自重）作用下受壓應力不斷減小。工況2考慮了縱向預應力，由于從1#梁段到12#梁段縱向預應鋼束越來越少，頂板應力變化很不均勻，在10#梁段～12#梁段發生明顯的剪力滯現象，局部地方的拉應力甚至超過工況1。而工況3、工況4、工況5考慮了橫向預應力，整個頂板上緣受壓，沒有明顯的剪力滯現象［2］。

圖4為頂板下緣D點應力隨橋縱向變化曲線，可以看出工況3和工況5曲線幾乎重疊，說明豎向預應力對D點受力狀態影響不大。不考慮橫向預應力作用情況下，底板下緣應力隨著橋縱向減小，但是考慮頂板橫向預應力作用，就會產生彎曲應力。工況4只考慮頂板橫向預應力，此時應力變化趨勢與工況1、工況2截然相反，而工況3、工況5變化趨勢相對平緩。這說明，縱向預應力可以使得翼緣板下端應力優化。截面3-3剪力滯效應明顯，預應力鋼束對其作用也較明顯。

3 截面3-3頂板應力分析

圖5為3-3截面頂板橫向應力分布。工況2在3-3截面剪力滯效應明顯，局部拉應力甚至超過工況1。而考慮頂板橫向預應力情況，頂板上緣大部分受壓。其中工況3和工況4在腹板附近應力分布有所差異，其他地方應力分布基本一樣。工況4表面頂板橫向預應力對上緣受壓作用明顯，翼緣段和箱梁中心處受壓應力最大，翼緣端尺寸較小，頂板橫向預應力將整個頂板向上“翻起”的效果，在端部產生較大應力集中［3］。

圖5 頂板橫向應力分布

圖6 頂板下緣應力分布

圖6為3-3截面頂板下緣應力橫向分布情況。工況2只考慮縱向預應力，由于材料泊松比翼緣板段處還是會產生彎曲應力，只是彎曲應力較小。工況3與工況5的曲線分布較相似，只是在頂板與腹板交界處應力有明顯差異，這說明豎向預應力只對腹板和頂板交接的局部區域有影響。由于頂板橫向預應力產生橫向彎矩，翼緣板下緣產生較大的拉應力，工況3、工況5計算結果在1.35mpa左右。明顯在工況4中頂板下緣大部分受拉情況比其他工況更突出，在翼緣板端處應力達到3.35mpa。腹板和頂板交界處受力情況復雜，由于腹板處剛度較大，翼緣板和箱內兩側的應力變化很大。翼緣板可以近似看成懸臂結構，而頂板橫向預應力將翼緣板往上拉，使得下緣受到較大的拉應力，這樣很容易產生縱向裂縫。但是在箱內靠近腹板處受到拉應力，從12#梁段往1#梁段看，這個拉應力沿著箱梁縱向不斷減小，靠近箱梁中心附近的拉應力趨于穩定。而從工況4可以看出，如果只考慮頂板橫向預應力，整個頂板下緣基本上都是受拉，腹板對頂板的影響沒有這么明顯，橫向預應力將頂板往上“翻”。綜合來看，頂板橫向預應力對頂板上緣進行優化，縱向預應力對頂板下緣受力進行優化。

4 結語

本文通過ANSYS建立寬箱梁空間有限元模型，主要研究頂板空間受力狀況。計算分析各個工況得到下列結論：

4.1預應力可以減弱箱梁頂板剪力滯現象。箱梁高度與頂板厚度比值越小的梁段，受預應力作用越明顯。橫向預應力能夠很好地優化頂板上緣的受力狀況，使得應力橫向分布趨于均勻。

4.2頂板橫向預應力對頂板產生橫向彎矩，翼緣板端部尺寸較小，容易產生較大的應力。頂板主應力基本上與橋的橫向方向相同，可以推斷頂板裂縫主要沿橋軸方向。

4.3縱向預應力能夠減弱頂板下緣受拉情況，縱向和橫向預應力共同作用使得頂板受力狀態得到優化。豎向預應力對腹板影響較大，對腹板和頂板連接區域影響較大。

［1］李小紅，李青山，葉見曙.連續箱梁跨中合龍段箱梁頂板縱向裂縫分析研究［J］.現代交通技術，2010（6）.

［2］黃鶴蒞.頂板橫向預應力鋼束對箱梁橫向計算結果的影響［J］.鐵道工程學報，2007（9）.

［3］高丕勤，王小松.頂板橫向預應力作用下寬箱梁空間效應分析［J］.重慶交通大學學報，2012（6）.

［4］張啟亮.混凝土箱梁頂板橫向預應力框架效應分析［J］.石家莊鐵道學院學報，2007（6）.