基于MidasCivil的箱梁钢绞线受力分析

基于MidasCivil的箱梁钢绞线受力分析

孙明旭徐振博许超

中建八局第四建设有限公司山东青岛266000

摘要：现浇箱梁多为市政工程道路桥梁结构形式，结构内布设钢绞线，采用后张拉法施工保证结构稳定性。本案例通过Midas软件建立现浇箱梁钢绞线受力结构模型，对现浇箱梁施工阶段和使用阶段进行内力分析，清晰表达出其PSC设计结果，从而更好地进行内力分析计算，为以后现浇箱梁施工中钢绞线受力分析方案提供理论依据。

关键词：Midas分析、现浇箱梁、钢绞线、PSC设计

1工程概况

青岛新机场工作区、货运区某高架桥，全长1386.64m，主线桥梁共11联，匝道桥梁共2联。该桥匝道段为预应力混凝土等截面连续梁桥，横桥向宽度为12.5m，下部结构采用双柱框架墩，承台接钻孔灌注桩基础。

2主要技术标准

该桥采用后张法预应力施工，结构验算考虑了施工和使用阶段中预应力损失以及预应力、温度、混凝土收缩徐变等引起的次内力对结构的影响。相关计算参数如下所示：

1）设计恒载：钢结构容重78.5KN/m3，钢筋混凝土容重26KN/m3，混凝土铺装和沥青混凝土铺装容重24KN/m3；

2）可变荷载：

汽车荷载：公路—Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值qk=10.5kN/m；车道荷载集中荷载标准值，Pk=300KN，车道荷载计算剪力效应时，考虑1.2的系数，Pk=1.2×300=360KN；

汽车冲击力：按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）规定取值。

3）二期恒载：

桥面铺装：0.1×11.5×24=27.6KN/m；

防撞护栏：0.325×26=8.5KN/m；

波形护栏：0.253×26=6.6KN/m；

横梁实心：4.410×26=114.66KN/m；

4）预应力管道每米局部偏差对摩擦的影响系数：k=0.0015；

5）对于预应力钢筋与管道壁的摩擦系数：μ=0.17；

6）钢筋松弛系数，Ⅱ级（低松弛），ξ=0.3；

7）锚具变形和接缝压缩值：△l=6mm（单端）；

8）混凝土收缩龄期3天，加载龄期7天；

9）考虑支座不均匀沉降：边跨6.25mm，中跨8.75mm；

10）箱梁的有效宽度按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004第4.2.3条计算；

11）竖向日照温差：T1=14℃，T2=5.5℃，竖向日照反温差为正温差乘以-0.5；

12）年最高气温：34℃；年最低气温：-23℃；施工温度为10℃。

整体升温温差：24℃；整体降温温差：-33℃；

3现浇箱梁构造

3.1一般构造

结构采用C50混凝土、桥面混凝土铺装采用C50防水混凝土。其轴心抗压强度设计值为fcd=22.4Mpa，轴心抗拉强度设计值为ftd=1.83Mpa，弹性模量为Ec=3.45E+0.4Mpa。

桥梁结构的总体布置如图3-1和图3-2所示：

3.2钢束布置

预应力钢绞线采用ϕj15.2高强度低松弛钢绞线，其标准强度为fpk=1860Mpa，张拉控制应力采用0.75fpk=1395Mpa，弹性模量为Ek=1.95E+0.5Mpa。

钢绞线孔道采用预埋桥梁用塑料波纹管，波纹管外径D=77mm。预应力筋与管道壁摩擦系数，管道每米局部偏差对摩擦的影响系数，预应力钢绞线松驰系数0.3。

普通钢筋采用R235、HRB335级。R235抗拉、抗压强度设计值fsd、f’sd均为195Mpa，弹性模量为ES=2.1E+0.5Mpa。HRB335抗拉、抗压强度设计值fsd、f’sd均为285Mpa，弹性模量为ES=2.05E+0.5Mpa。

结构断面布置及预应力钢束布置如图3-3、3-4所示：

4建立计算模型

采用Midas/Civil建立现浇箱梁的整体模型。

以杆系理论为基础进行全桥整体结构分析，构件类型为A类预应力构件。其设计安全等级为一级，构件制作方法为现浇。

5PSC桥梁设计

5.1设计参数

根据本工程现浇箱梁的设计标准和施工使用功能，定义荷载相关参数。

采用Midas中“承载能力”荷载组合进行结构的承载力（正截面抗弯、斜截面抗剪、抗扭等）验算。“使用性能”荷载组合用来进行结构的截面抗压验算、受拉区钢筋的拉应力验算。

5.2PSC设计结果

5.2.1正截面抗弯强度验算

根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，需进行使用阶段正截面抗弯强度验算。

图5.2最小弯矩包络图

根据弯矩包络图（如图5-1和图5-2所示）可知，所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。

5.2.2斜截面抗剪强度验算

图5.4最大剪力包络图

根据剪力包络图（如图5.3和图5.4所示）可知，所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。

5.2.3抗扭强度验算

图5.5抗扭验算包络图

根据扭矩包络图（如图5.5所示）可知，所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。

5.2.4正截面抗裂验算

规范规定：A类预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，浇筑构件需满足σst-σpc≤0.7ftk；但在长期荷载作用下要满足σlt-σpc≤0。

图5.6短期应力包络图

图5.7主拉应力包络图

根据短期荷载效应组合下截面法向拉应力图（如图3-15所示）可知，在所有的短期组合中，全桥最大拉应力小于1.855MPa，满足规范要求。

5.2.5斜截面抗裂验算

规范规定，A类预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，浇筑构件需要满足σtp≤0.5ftk。

根据主拉应力的包络图（如图5.7所示）可知，最大主拉应力小于1.325MPa，满足规范要求。

5.2.6施工阶段应力验算

规范规定：对于预应力受弯构件，在构件自重和预应力等施工荷载的作用下截面边缘法向压应力应满足σCC≤0.7f’ck，拉应力≤0.7f’tk。

图5.9施工阶段最大拉应力包络图

根据施工阶段混凝土箱梁法向压应力图（如图5.8）与法向拉应力图（5.9所示）可知，满足规范要求。

5.2.7受拉区预应力钢筋拉应力验算

规范规定：A类预应力混凝土受弯构件，施工过程中，预应力钢束应力≤0.75fpk，使用阶段的预应力钢绞线的应力≤0.65fpk。

图5.10施工阶段钢绞线拉应力包络图

图5.11使用阶段钢绞线拉应力包络图

根据计算结果，结合钢绞线施工阶段拉应力包络图（如图5.10所示），最大钢绞线拉应力为1294.45<1395Mpa，满足规范要求。

根据计算结果，结合钢绞线使用阶段拉应力包络图（如图5.11所示），最大钢绞线拉应力为1188.47<1209MPa，满足规范要求。

5.2.8正截面压应力验算

图5.12混凝土箱梁截面正截面压应力图

规范规定，对于未开裂构件，使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土压应力需要满足：σkc+σpt≤fck，根据图5.12可知，满足规范要求。

5.2.9斜截面压应力验算

对于使用阶段预应力砼受弯构件，其斜截面混凝土主压应力需要满足：σcp≤0.6fck。根据斜截面主压应力图（如图5.13所示），满足规范要求。

图5.13混凝土箱梁截面斜截面压应力图

6结论

通过Midas软件结合分析现浇箱梁结构内力，对现浇箱梁中钢绞线进行建模分析，能够清晰表达出各工况下的内力计算，得出以下结论：

（1）利用Midas软件进行三维建模，模拟现浇箱梁受力情况，通过钢绞线应力布置，掌握各阶段的受力大小，方便进行结构内力分析。

（2）建模钢绞线受力分析，模拟出施工阶段与使用阶段的受力情况，可以清晰表达出现浇箱梁主体结构受力，为以后现浇箱梁施工提供理论依据。

参考文献

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