预应力混凝土连续刚构有限元分析

【摘要】考虑到预应力混凝土连续刚构桥的结构体系特点，本文建立了考虑和不考虑桩群刚度影响的两种有限元计算模型，对比分析了在各种荷载作用下产生的结构内力差别。分析结果表明：主梁弯矩内力在体系温度作用下改变最明显，同时产生的跨中挠度也较为明显；在预应力、混凝土收缩徐变作用下产生的主墩内力较大，而由活载和恒载产生的结构内力不大。研究结果为预应力混凝土连续刚构设计及优化提供了一定的参考依据。

【关键词】桥梁工程；预应力连续刚构；有限元方法；对比分析

引言

采用悬臂施工方法使得大跨度预应力混凝土连续刚构桥的跨度大增，并且不安全因素也会增加。为了防止由线形失控和施工应力导致的安全事故与经济损失，在对桥梁施工时应进行全程实测监控及仿真分析，对施工过程中的线形控制和应力测试应进行高标准要求，在施工时对每个阶段进行详细的变形计算及受力分析已成为桥梁施工监测与控制最基本的内容之一[1-3]。连续刚构作为一种固结墩梁的连续结构，可利用高墩柔度来适应在徐变、预应力、温度变化和混凝土收缩作用下产生的位移。因此，所有影响墩身刚度的种种因素都极有可能导致结构内力发生变化，采用有限元分析模型进行预应力混凝土连续刚构桥设计及计算时是否考虑桩基对上部结构的影响，所得计算结果会有一定的差别。

本文采用结构分析软件MIDAS/Civil建立了两种有限元计算模型：第一种是考虑桩基影响的整体模型，认为桩基刚度无限大；第二种是墩底固结模型，不考虑桩基对墩底弹性约束影响。对两种模型的计算结果从连续刚构在恒载、温度力、预应力等荷载作用下产生的结构内力方面进行了详细的对比分析。

1、两种有限元计算模型

根据跨度为102+186+102m的某三跨预应力连续刚构桥设计资料，建立了如图1和图2所示的两种有限元分析模型，分别是墩底固结模型及整体模型，并根据实际空间结构进行数值模拟，全桥采用梁单元进行数值模拟[4，5]。

1.1墩底固结计算模型

单元划分与施工阶段划分基本保持一致。全桥共划分单元142个，其中梁部划分了118个，墩身划分了24个；全桥共划分节点147个，边界约束条件设置为墩底固结，两边跨梁端设置了两个自由度，分别为Y-Z平面角位移和水平线位移，其余4个方向均被约束；梁和主墩采用的是刚性连接。图1所示为计算模型及单元的详细划分情况。

1.2整体计算模型

梁和墩的单元划分与模型Ⅰ相同，另外增加了承台单元2个，桩基单元80个，全桥单元共224个，节点251个。桩长取24m，两边跨梁端设置了两个自由度，分别是Y-Z面的角位移和水平线位移，其余4个方向均被约束；梁和主墩、主墩和承台、承台和桩顶之间均使用刚臂连接。图2所示为其有限元分析模型和单元的具体划分情况。

2、计算结果对比分析

表1所示为两种有限元模型下的对比计算结果，主要是就结构在活载、恒载、体系升温、预应力一次力、预应力二次力、收缩徐变二次力及主梁负梯度温差作用下产生的主要控制截面弯矩内力进行了对比。

由表1可以看出，同墩底固结有限元分析模型计算结果相比较，整体有限元分析模型下的计算结果除在活载、恒载、预应力一次力作用下的弯矩内力略有增大以外，在其它荷载作用下均有不同程度的降低。其中，由体系温差荷载产生的弯矩改变最大，降低最大达到了61.48%。整体有限元分析模型下各种荷载作用产生的主墩弯矩内力均有所减小，其中以体系温差、梁截面梯度温差、预应力二次力和收缩徐变二次力作用产生的影响较大，内力降低幅度范围为13.01%～69.51%，活载作用下的弯矩降低幅度范围为3.98%～10.97%，由恒载和预应力一次力产生的影响最小，基本上未改变。

3、结论

考虑桩基弹性约束，对墩底固结而言，相当于增大了连续刚构墩柔度，能够更好地适应由徐变、预应力、温度变化和混凝土收缩引起的结构位移，从而降低了由其引起的结构内力。通过两种情况对比发现：

（1）主梁弯矩内力在体系温度作用下改变最明显，同时产生的跨中挠度也较为明显；主梁弯矩内力在体系温度作用下改变最大。

（2）在预应力、混凝土收缩徐变作用下产生的主墩内力较大，而由活载和恒载产生的结构内力不大。

（3）对预应力混凝土连续刚构桥设计可采用一种优化设计方法，即通过调节刚构墩的刚度来调节结构内力，使之达到最优效果。

参考文献

[1]周军生，楼庄鸿.大跨径预应力混凝土 连续刚构桥的现状和发展趋势[J].中国公路学报，2000，113（11）：31-37

[2]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001

[3]徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000

[4]公路桥涵设计通用规范 JTGD60-2004[M].北京：人民交通出版社，2004

[5]王文涛.刚构―连续组合梁桥[M].北京：人民交通出版社，1997