连续刚构箱梁零号块应力分析

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摘 要：本文以某连续刚构桥的零号块为研究对象，首先运用桥梁专业软件Midas Civil对全桥进行整体分析，求得零号块两端截面的内力值，然后利用细部有限元分析软件Midas FEA中建立零号块的实体有限元计算模型，然后将整体模型中计算的内力值施加于零号块两端截面形心位置上。本文通过不同方向的正应力以及最大、最小主应力的角度来考察零号块各个构件部位以及应力相对集中位置的应力状况。通过对零号块进行成桥阶段的空间应力分析，给出了零号块设计与施工过程中的一些建议，为类似桥梁工程提供参考。

关键词：连续刚构桥；零号块；应力分析

中图分类号：U44 文献标识码：A

1 工程概况

某上部结构为（95+180+95）m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁，箱梁根部高度11.0m，跨中高度4.0m。箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次抛物线变化。主桥纵向及竖向、横梁预应力钢束采用GB/T5224-2003标准270级钢绞线，单根钢绞线直径15.24mm，公称面积139mm2，弹性模量1.95×105MPa，标准强度1860MPa，设计锚下张拉控制应力1395/1302MPa。主梁结构安装全预应力结构设计。竖向预应力钢束最长束达17m，位于墩顶0#块横隔板位置。

2 有限元分析

2.1 结构模型

本文以该桥5#墩的零号块为研究对象，分析其在成桥阶段即全桥合龙且施加二期铺装时的应力状态。由圣维南原理可知0号块的应力状况只与其一定长度范围内的应力状况有关，远离0号块部位的应力对0号块影响很小可以忽略不计。因此本文选取5#墩0号块、1#块、2#块以及部分长度的墩高建立实体单元模型进行空间应力分析。利用非线性及细部分析软件Midas FEA建立空间实体单元模型。混凝土和预应力钢束分别用实体单元和钢筋单元模拟，建立计算模型如图1所示。模型中考虑了预应力的张拉控制应力、摩阻损失、预应力松弛损失及锚具变形影响。

2.2 施加边界及荷载

该0#块实体模型单元采用自动实体网格，将模型划分为122583个单元、58040个节点。模型的边界条件在墩底弹性约束处理。本文利用桥梁专业软件Midas Civil，采用梁单元建立杆系结构进行求解，得到成桥状态下零号块两端的内力值，利用非线性及细部有限元分析软件Midas FEA，建立零号块局部实体有限元模型，并将成桥状态下的内力添加在零号块相应的主节点上。最后还需在零号块细部有限元计算模型中添加其他荷载，如：自重、预应力、二期荷载等。

3 应力分析

利用Midas FEA计算软件对零号块进行仿真分析，就可以计算出实体模型中任意单元及节点的位移、应力大小。本文通过不同方向的正应力以及最大、最小主应力的角度来考察零号块各个构件部位以及应力相对集中位置的应力状况，结果如下：

3.1 纵向正应力

由图2可见：（1）零号块顶板、腹板、底板均处于受压状态，无拉应力产生，且零号块顶板、底板、腹板纵向压应力未超过C55混凝土抗压强度设计值，计算结果与设计相符。（2）该零号块横隔板附近有些许拉应力，最大拉应力为1.04MPa。横隔板整体压应力未超过C55混凝土的抗压强度设计值，拉应力超过C55混凝土的抗压强度设计值但未超过C55混凝土的抗压强度标准值。（3）该零号块端部截面与横隔板倒角处易出现应力集中，因此对该部位进行应力考察。通过分析可得，横隔板与顶板倒角处的应力为-10.01MPa（负值表示受压）。横隔板与底板倒角处的应力为-9.49MPa。横隔板与腹板倒角处的应力为-9.52MPa。结果表明，易出现压应力集中的部位，其最大压应力均未超过C55混凝土的抗压强度标准值。

3.2 横向正应力

由图3可见：（1）零号块最大横向压应力为-3.82MPa，未超过C55混凝土的抗压强度标准值。（2）零号块局部位置出现拉应力：顶板拉应力与压应力并存，其中最大压应力发生在顶板上缘，其值为-3.44MPa；同时也存在少量拉应力，其大小为0.12MPa；腹板拉应力与压应力并存，其中最大压应力为-2.76MPa；同时也存在少量拉应力，其大小为0.02MPa；底板拉应力与压应力并存，其中最大压应力为-2.13MPa；同时也存在少量拉应力，其大小为0.23MPa；横隔板拉应力与压应力并存，其中最大拉应力发生在人孔附近，其大小为2.37MPa。通过分析可得上述部位仅人孔附近处的拉应力超出了C55混凝土抗拉标准强度值，其余位置横向拉、压应力状况均符合要求。

3.3 竖向正应力（如图4所示）

由图4可见：（1）零号块最大竖向压应力为-2.98MPa，未超过C55混凝土的抗压强度标准值。（2）零号块局部位置出现拉应力：顶板拉应力与压应力并存，其中最大压应力发生在顶板上缘，其值为-1.70MPa；同时也存在少量拉应力，其大小为0.29MPa；腹板受压，其中最大压应力为-2.40MPa；底板受压，其中最大压应力为-2.46MPa；横隔板受压，其中最大压应力发生在人孔附近，其大小为-2.34MPa。通过分析可得底板与墩交界处部位以及横隔板人孔附近处出现应力集中的情况，其最大值低于C55混凝土抗压标准强度值。

3.4 主拉应力

由图5可见：（1）观察零号块应力矢量图，可得出主拉应力主要为横向拉应力。最大主应力为1.63MPa，未超过C55混凝土的抗拉强度标准值。（2）零号块顶板受力同时存在拉、压应力，其应力大小的范围为-1.15MPa～0.45MPa；底板拉应力与压应力并存，其应力大小的范围为-0.43MPa～0.54MPa；横隔板应力大小的范围为-1.21MPa～0.71MPa。通过分析，表明结构整体主压应力均未超过C55混凝土的抗压强度设计值，局部应力相对集中的区域主拉应力超过C55混凝土的抗拉强度标准值。（3）底板与墩交界处、横隔板与顶板底面都出现应力集中的情况，其中最大拉应力为0.26MPa，主拉应力未超过C55混凝土的抗拉强度设计值。

3.5 主压应力

（1）根据计算结果，主压应力主要为纵向压应力。零号块最小主应力为-10.86MPa，未超过C55混凝土的抗压强度标准值。（2）零号块顶板受压，其应力大小的范围为-9.87MPa～ -7.13MPa；底板受压，其应力大小的范围为-10.39MPa～-1.49MPa；横隔板受压，其应力大小的范围为-10.15MPa～ -7.13MPa。通过分析，表明结构整体主压应力未超过C55混凝土的抗压强度设计值。（3）底板与墩交界处、横隔板与顶板底面都出现应力集中的情况，其中最大压应力为-9.42MPa，主压应力未超过C55混凝土的抗压强度设计值。

结语

（1）由于模型中没有考虑构造钢筋的影响，因此在局部应力集中的位置可能存在应力超限的情况。（2）零号块截面变化较多，因此应力状态复杂，同时存在应力集中的部位。零号块是整个结构体系中受力相对比较复杂的地方，这是因为零号块各个构件尺寸相对其他部位较为薄弱，另外箱梁截面在横隔板附近截面发生突变，而往往在这些地方通常会出现应力超出标准设计值的现象，严重的会造成混凝土开裂。所以在对零号块设计的过程中，要对这些敏感部位进行仔细考虑，从而达到改善其应力状态。（3）为杜绝这些应力易超限部位发生混凝土开裂现象，本文建议可采取以下方法：①根据对零号块应力分析可知，对于应力薄弱处，尤其是易发生开裂的地方要增加配筋，同时可以在零号块主筋表面配置防止混凝土开裂的钢筋网；在腹板处设置竖向精轧螺纹钢筋用来抵抗零号块竖向以及横向拉应力。②横隔板尺寸的大小应与顶板、底板匹配，以达到改善零号块受力状态为目的。③由于主墩墩顶弯矩较大，而墩、梁交接处为二次施工的分界点，使得该处受力不利。因此箱梁零号块的竖向预应力可延伸至墩顶以下5m～10m以改善墩、梁交接处的受力。④因该零号块体积较大，通常采用两次浇筑的方法进行，同时浇筑时充分振捣，采取措施降低混凝土水化热对结构所造成的影响，并充分养护。⑤在对零号块进行施工时，要确保尺寸准确、截面倒角圆滑，以此来减小应力集中的情况。

参考文献

[1]范立础.预应力混凝土桥梁[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2]徐岳，等.预应力混凝土连续桥梁设计[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]伍波，杨家玉，石永燕，张锋.大跨径连续刚构桥的常见病害与设计对策[J].公路交通技术（增刊），2005.