預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁橋靜力學(xué)分析及其實驗研究

　　摘要：橋梁的靜力學(xué)性能是評價橋梁運營狀況和承載能力的重要指標(biāo)之一?，F(xiàn)以某預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁為例，介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁橋靜力學(xué)實驗的主要內(nèi)容、方法，同時建立了該橋的ansys有限元模型，驗證了實驗分析的結(jié)果，為同類橋梁分析及實驗提供一定經(jīng)驗和范例。為橋梁的竣工驗收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。
　　
　　關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁橋；靜力學(xué)特性；實驗驗證 　　
　　1　前言
　　
　　一些橫跨大江大河甚至是跨海的橋梁跨度不斷增大，從跨徑達(dá)幾百米的拱橋和斜拉橋到跨徑過千米的懸索橋，跨徑越來越大，柔度越來越大?？v觀國內(nèi)外橋梁建設(shè)的歷程可以發(fā)現(xiàn)，我們對橋梁靜態(tài)特性和動態(tài)特性進(jìn)行了大量的理論分析和實驗研究。新型橋型的出現(xiàn)，橋梁跨度的增大使得一些大型橋梁因靜力性能出現(xiàn)過許多嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的后果。對大量的橋梁進(jìn)行現(xiàn)場測試也顯得尤為重要，也可以為以后的規(guī)范提供重要依據(jù)。橋梁靜載試驗是測量橋梁在各種靜力荷載工況下的各個控制截面的應(yīng)力應(yīng)變及結(jié)構(gòu)的變形，從而確定結(jié)構(gòu)的實際工作性能與設(shè)計期望值是否相符，它是檢驗結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及其它性能最直接、最有效的辦法。

　　國內(nèi)外，許多學(xué)者對不同的橋梁進(jìn)行了靜動力學(xué)分析，得到了它們的靜動態(tài)參數(shù)。邵旭東等人對二次預(yù)應(yīng)力梁的徐變進(jìn)行了理論分析，并且對其承載力進(jìn)行了試驗研究。林波混凝土收縮徐變提出了新的計算方法，同時用試驗進(jìn)行了驗證。肖汝誠對超大跨度橋梁在靜風(fēng)荷載作用下的靜力、動力特性進(jìn)行了研究。程進(jìn)對纜索承重橋梁進(jìn)行了非線性空氣靜力穩(wěn)定性研究，等等。
　　
　　本文結(jié)合工程實例對高架橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的靜力學(xué)特性進(jìn)行了分析與研究，并與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。為橋梁的竣工驗收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。
　　
　　2　高架橋工程概況
　　
　　長沙市西北環(huán)線高架橋是新建橋梁，于2006年年底竣工通車。西北環(huán)線高架橋、立交橋工程是長沙市二環(huán)線的重要樞紐工程之一，屬于城市快速干道，它的修建，對于完善城市交通布局，緩解長沙市區(qū)交通堵塞，具有非常重要的作用。

　　為了檢驗橋梁的施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載能力是否滿足設(shè)計要求，對高架橋混凝土預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行了靜力學(xué)實驗研究，以便對橋梁的現(xiàn)狀做出科學(xué)客觀的評價，并且為橋梁竣工驗收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供可靠依據(jù)。
　　
　　長沙市西北環(huán)線高架橋和長益立交橋上部結(jié)構(gòu)為C40現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)箱梁：下部結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)D220cm人工挖孔灌注樁，橋墩柱為花瓶式方柱墩。該橋設(shè)計荷載為汽超-20級，掛-120；橋面寬度：主橋2×12.8m；上下匝道橋?qū)?.0m；立交橋凈高：二環(huán)線>5.0m；匝道>4.5m；抗地震基本烈度：7度。結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)：主橋30m，是西北環(huán)線的主橋段，在東西兩側(cè)各有一個匝道口，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。其俯視圖見圖1。橋梁三維實體模型見圖2。
　　上部結(jié)構(gòu)：該跨現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)箱梁，采用C40混凝土，箱梁高1.68m，上下兩側(cè)匝道橋面寬8.0m，箱梁高1.524m；
　　主橋橋面：寬12.8m，坡度為1.5％的雙向橫坡；

　　橋墩：該橋為花瓶式方柱墩，采用C30混凝土；

　　樁基礎(chǔ)采用D220cm人工挖孔式灌注樁，為C25混凝土；

　　橋臺：采用輕型橋臺，兩排D150cm人工挖孔式灌注樁基礎(chǔ)；

　　支座：全橋均采用Qz系列橋梁球形支座；
　　
　　設(shè)計荷載：汽-超20，掛車-120；

　　抗震烈度：7度。

　　根據(jù)《長沙市西北環(huán)線高架橋工程施工圖設(shè)計》圖紙及其附件，通過有限元軟件ANSYS 10.0建立有限元模型(如圖1，圖2所示)。

　　按照設(shè)計荷載：汽-超20，掛車-120對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算，并結(jié)合《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》的相關(guān)規(guī)定，確定試驗主要控制截面和實驗內(nèi)容。
　　
　　3　復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁靜力學(xué)分析
　　
　　3．1靜力學(xué)分析及其結(jié)果 [Page]

　　經(jīng)過有限元軟件ANSYS分析，試驗跨在最大正彎矩作用下的最大拉應(yīng)力為2.62MPa，位于跨中箱梁底部，見圖3，試驗跨在設(shè)計荷載的作用下，跨中最大拉應(yīng)力為2.89MPa，見圖4。

　　試驗梁跨中和橋墩位置應(yīng)力測試點布置見圖5。跨中應(yīng)變片由西至東編號為8-1，8-2，…，81-11。復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁跨中截面(1/2截面)在最大正彎矩工況時汽車擺放的位置見圖6，其對應(yīng)的應(yīng)力值見表1。

　　試驗跨撓度測試點位置見圖9，最大正彎矩工況時，其對應(yīng)的撓度見表2。

　　經(jīng)過有限元軟件ANSYS分析，試驗跨在最大正彎矩作用下的最大撓度為1.914mm，位于跨中位置，見圖8。在設(shè)計荷載作用下的最大撓度為2.571mm，位于跨中位置，見圖9。

　　試驗結(jié)果分析評定

　　a、最大應(yīng)力值小于允許應(yīng)力，符合規(guī)范。

　　b、殘余應(yīng)力與最大變形之比≤0.2，符合規(guī)范。

　　c、大橋加載效率0.98，符合規(guī)范。
　　
　　

　　d、試驗跨最大撓度≤L/800，同時小于理論計算值，符合規(guī)范要求。

　　通過靜載試驗，該橋各控制截面在不同荷載作用下，位移與應(yīng)力均小于規(guī)范允許值。雖在跨中位置局部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，但由于是預(yù)應(yīng)力混凝土梁，大橋承載性能儲備較高。卸除荷載后，位移與應(yīng)變恢復(fù)良好，殘余應(yīng)力和殘余變形較小，該結(jié)構(gòu)整體彈性性能良好。
　　
　　4　結(jié)論
　　
　　建立了混凝土預(yù)應(yīng)力復(fù)雜結(jié)構(gòu)梁的有限元模型，分析了其振動的靜力學(xué)特性。介紹了混凝土復(fù)雜梁橋力學(xué)實驗的主要內(nèi)容、方法，同時建立了該橋的ansys有限元模型，驗證了實驗分析的結(jié)果，為同類橋梁分析及實驗提供一定經(jīng)驗和范例。為橋梁的竣工驗收和以后的養(yǎng)護(hù)維修工作提供科學(xué)依據(jù)。 　 原作者： 張良述
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