预应力混凝土复杂结构梁桥静力学分析及其实验研究

摘要：桥梁的静力学性能是评价桥梁运营状况和承载能力的重要指标之一。现以某预应力复杂结构梁为例，介绍了预应力混凝土复杂结构梁桥静力学实验的主要内容、方法，同时建立了该桥的ansys有限元模型，验证了实验分析的结果，为同类桥梁分析及实验提供一定经验和范例。为桥梁的竣工验收和以后的养护维修工作提供科学依据。
   
    关键词：预应力复杂结构梁桥；静力学特性；实验验证
   
    1 前言
   
    一些横跨大江大河甚至是跨海的桥梁跨度不断增大，从跨径达几百米的拱桥和斜拉桥到跨径过千米的悬索桥，跨径越来越大，柔度越来越大。纵观国内外桥梁建设的历程可以发现，我们对桥梁静态特性和动态特性进行了大量的理论分析和实验研究。新型桥型的出现，桥梁跨度的增大使得一些大型桥梁因静力性能出现过许多严重的甚至是灾难性的后果。对大量的桥梁进行现场测试也显得尤为重要，也可以为以后的规范提供重要依据。桥梁静载试验是测量桥梁在各种静力荷载工况下的各个控制截面的应力应变及结构的变形，从而确定结构的实际工作性能与设计期望值是否相符，它是检验结构的强度、刚度以及其它性能最直接、最有效的办法。
    国内外，许多学者对不同的桥梁进行了静动力学分析，得到了它们的静动态参数。邵旭东等人对二次预应力梁的徐变进行了理论分析，并且对其承载力进行了试验研究。林波混凝土收缩徐变提出了新的计算方法，同时用试验进行了验证。肖汝诚对超大跨度桥梁在静风荷载作用下的静力、动力特性进行了研究。程进对缆索承重桥梁进行了非线性空气静力稳定性研究，等等。
   
    本文结合工程实例对高架桥预应力连续梁的静力学特性进行了分析与研究，并与有限元模拟结果进行了比较。为桥梁的竣工验收和以后的养护维修工作提供科学依据。
   
    2 高架桥工程概况
   
    长沙市西北环线高架桥是新建桥梁，于2006年年底竣工通车。西北环线高架桥、立交桥工程是长沙市二环线的重要枢纽工程之一，属于城市快速干道，它的修建，对于完善城市交通布局，缓解长沙市区交通堵塞，具有非常重要的作用。
    为了检验桥梁的施工质量，判断桥梁结构的实际承载能力是否满足设计要求，对高架桥混凝土预应力复杂结构梁进行了静力学实验研究，以便对桥梁的现状做出科学客观的评价，并且为桥梁竣工验收和以后的养护维修工作提供可靠依据。
   
    长沙市西北环线高架桥和长益立交桥上部结构为C40现浇预应力等截面连续箱梁：下部结构：基础D220cm人工挖孔灌注桩，桥墩柱为花瓶式方柱墩。该桥设计荷载为汽超-20级，挂-120；桥面宽度：主桥2×12.8m；上下匝道桥宽8.0m；立交桥净高：二环线>5.0m；匝道>4.5m；抗地震基本烈度：7度。结构主要技术参数：主桥30m，是西北环线的主桥段，在东西两侧各有一个匝道口，因此结构较为复杂。其俯视图见图1。桥梁三维实体模型见图2。
    上部结构：该跨现浇预应力等截面连续箱梁，采用C40混凝土，箱梁高1.68m，上下两侧匝道桥面宽8.0m，箱梁高1.524m；
    主桥桥面：宽12.8m，坡度为1.5%的双向横坡；
    桥墩：该桥为花瓶式方柱墩，采用C30混凝土；
    桩基础采用D220cm人工挖孔式灌注桩，为C25混凝土；
    桥台：采用轻型桥台，两排D150cm人工挖孔式灌注桩基础；
    支座：全桥均采用Qz系列桥梁球形支座；
   
    设计荷载：汽-超20，挂车-120；
    抗震烈度：7度。
    根据《长沙市西北环线高架桥工程施工图设计》图纸及其附件，通过有限元软件ANSYS 10.0建立有限元模型(如图1，图2所示)。
    按照设计荷载：汽-超20，挂车-120对桥梁上部结构进行验算，并结合《大跨径混凝土桥梁试验方法》的相关规定，确定试验主要控制截面和实验内容。
   
    3 复杂结构梁静力学分析
   
    3.1静力学分析及其结果
    经过有限元软件ANSYS分析，试验跨在最大正弯矩作用下的最大拉应力为2.62MPa，位于跨中箱梁底部，见图3，试验跨在设计荷载的作用下，跨中最大拉应力为2.89MPa，见图4。
    试验梁跨中和桥墩位置应力测试点布置见图5。跨中应变片由西至东编号为8-1，8-2，…，81-11。复杂结构梁跨中截面(1/2截面)在最大正弯矩工况时汽车摆放的位置见图6，其对应的应力值见表1。
    试验跨挠度测试点位置见图9，最大正弯矩工况时，其对应的挠度见表2。
    经过有限元软件ANSYS分析，试验跨在最大正弯矩作用下的最大挠度为1.914mm，位于跨中位置，见图8。在设计荷载作用下的最大挠度为2.571mm，位于跨中位置，见图9。
    试验结果分析评定
    a、最大应力值小于允许应力，符合规范。
    b、残余应力与最大变形之比≤0.2，符合规范。
    c、大桥加载效率0.98，符合规范。
   
    d、试验跨最大挠度≤L/800，同时小于理论计算值，符合规范要求。
    通过静载试验，该桥各控制截面在不同荷载作用下，位移与应力均小于规范允许值。虽在跨中位置局部产生较大拉应力，但由于是预应力混凝土梁，大桥承载性能储备较高。卸除荷载后，位移与应变恢复良好，残余应力和残余变形较小，该结构整体弹性性能良好。
   
    4 结论
   
    建立了混凝土预应力复杂结构梁的有限元模型，分析了其振动的静力学特性。介绍了混凝土复杂梁桥力学实验的主要内容、方法，同时建立了该桥的ansys有限元模型，验证了实验分析的结果，为同类桥梁分析及实验提供一定经验和范例。为桥梁的竣工验收和以后的养护维修工作提供科学依据。
    来源: 《www.jianzhu518.com》.