摘要：近年來，由于橋梁事業的發展，橋梁仿真計算向可視化、綜合化方向發展。同時計算內容也進入了三維空間應力計算階段。本文運用ANSYS軟件對一個三跨預應力連續剛構進行了空間數值分析，將結果與平面結果進行對比，經分析，平面分析結果偏安全，空間分析結果更加精確。

　　關鍵詞：空間數值分析,ANSYS,連續剛構

　　1 引言

　　近年來，由于橋梁事業的發展，圖形化操作系統的出現，強大的硬件平臺的支持，橋梁仿真計算向可視化、綜合化方向發展。目前國內橋梁施工仿真所使用的軟件主要有橋梁博士(Dr. Bridge)、MIDAS/Civil和GQJS等。

　　采用平面桿系程序計算時，不能考慮活載偏載作用梁體產生的扭轉剪應力及箱梁橫向應力，也不能考慮剪滯效應，這些因素均有可能導致梁體產生裂縫。

　　實體模型能夠比較真實的反映實際結構，能夠考慮結構的整體受力效應，得到的結果更為精確，而且實體模型在建模時己經考慮了細部結構，可以直接進行細部受力狀態分析，這就保證了模型的可靠性。因此，條件成熟的話，建立空間實體模型進行結構行為分析無疑是分析大跨徑P.C箱梁橋之類受力復雜的大型橋梁的首選方式。

　　2 實例簡介

　　某大橋主橋為130m+230m+130m的三跨預應力連續剛構，設計荷載為汽-超20級，掛-120級。

　　箱梁0號梁段長15m(包括橋墩兩側各外伸1.5m)，每個“T”構縱橋向劃分為30個對稱梁段，梁段數及梁段長從根部至跨中分別為10*3m，7*3.5m，13*4m，累計懸臂總長108m。1號～30號梁段采用掛籃懸臂澆筑施工，懸臂澆筑梁段重大控制重量2450KN，掛籃設計自重1300KN。全橋兩幅合計共6個合攏段，分別是4個邊跨合攏段和2個中跨合攏段，合攏段長度均為2m，每邊跨現澆段長14m。

　　每幅采用單箱單室截面，橫向兩幅，橋面全寬24.50m，單幅箱梁頂寬11.90m，底寬7.00m，外翼板懸臂長度2.45m，箱梁頂面做成2%的向外側的單向橫坡。箱梁跨中及邊跨支架現澆段梁高4.00m(箱梁高均以腹板外側為準)，橋墩與箱梁相接的根部斷面及墩頂0號梁段高為13.00m。從中跨跨中至箱梁根部，箱高按半立方拋物線變化，如圖1、圖2所示。箱梁腹板在墩頂范圍內厚120cm，箱梁根部至10號梁段腹板厚70cm，從11號梁段至20號梁段腹板厚60 cm，從21號梁段至30號梁段腹板厚50 cm，腹板厚度變化處設100 cm漸變過渡段。箱底板厚從箱梁根部截面的130 cm漸變至跨中及邊跨支點截面的32 cm厚，按直線變化。

　　每幅主橋共11道橫隔板，分別在兩主墩墩頂各設兩道2.5m厚的橫隔板，邊跨梁端各設一道1.2m厚橫隔板，在中、邊跨合攏段及中跨25號梁段各設一道30cm厚的橫隔板。主墩采用雙薄壁結構，11號墩高達43m，12號墩高22m。

　　主橋箱梁為三向預應力結構。主橋箱梁縱向預應力和箱梁頂板橫向預應力束均采用 高強度低松弛預應力鋼絲線，ASTMA416-90a270級標準，標準強度 ， ，加載至規定負荷的80%時，松弛損失不大于3.5%;張拉控制力 。主橋箱梁部分豎向預力筋采用40Si2MmMoV精軋螺紋粗鋼筋，極限強度大于1200MPa，名義屈服強度大于950 MPa，設計張拉力為407KN。

　　每幅橋每個“T”構懸臂澆筑鋼束110束，其中肋束40束，頂板束70束，此外還有預備束4束。中跨連續鋼束38束，其中底板束36束，頂板束2束;邊跨連續鋼束24束，其中底板束20束，頂板束4束。肋束及中跨頂板連續束每束的規格為22 ;頂板束及邊跨頂板連續束每一束的規格為24 ;中跨底板束每一束的規格為19 ;邊跨底板束每一束的規格為14 。箱梁腹板上設有豎向預應力鋼筋，其中0～20號梁段采用2 鋼鉸線;21～31號及31’號采用直徑為25mm精軋螺紋粗鋼筋，用穿心式千斤頂張拉。箱梁頂板上設有橫向預應力鋼束，規格為2 。

　　3 空間模型建立與計算

　　選用ANSYS單元庫中的SOLID45和LINK8分別模擬混凝土單元和預應力鋼筋單元，按照自底向上的方式在ANSYS的前處理模塊(/PREP7)中建立三維實體有限元模型。

　　3.1 幾何建模

　　根據設計圖紙，編輯命令流文件導入ANSYS，建立全橋混凝土實體模型。該主橋實體模型見圖3。

　　3.2 網格劃分

　　以掃掠劃分為主，輔以自由劃分，對實體模型進行網格劃分，得到混凝土模型的有限元計算模型。

　　3.3 建立預應力鋼筋單元

　　依據設計圖紙，采用APDL編程，通過連接混凝土單元上相應節點，依次生成縱向、橫向及豎向預應力鋼筋單元，從而得到完整的有限元模型。

　　3.4 工程參數

　　主梁采用55號混凝土，橋墩采用40號混凝土;主橋箱梁縱向預應力束和箱梁頂板橫向預應力束以及0～20號梁段豎向預應力鋼筋均采用 15.24高強低松弛預應力鋼絞線，其余梁段豎向鋼筋采用25mm精軋螺紋鋼筋。分析中基本參數取值如表1所示：

　　3.5 施工工況

　　施工仿真分析中必須充分考慮實際施工的操作程序，該主橋施工過程大致如下：

　　下部結構施工，現澆墩頂0#梁段。→

　　拼裝雙懸臂掛籃，對稱澆筑1#梁段;張拉預應力束。→

　　接長雙懸臂掛籃，對稱澆筑2#梁段;張拉預應力束。→

　　拆拼成兩個掛籃，對稱澆筑3#梁段;張拉預應力束。→

　　移動掛籃，對稱澆筑4#梁段;張拉預應力束，重復該條所述各步直至30#梁段施工完畢。→

　　安置端支座，在落地支架上立�，F澆邊跨現澆段及邊跨合攏段;張拉邊跨連續鋼束及張拉豎向預應力鋼筋，分批張拉底板束。→

　　澆筑中跨合攏段;張拉對應的連續鋼束，分批張拉底板束。→

　　鋪設橋面系等二期恒載。→結束

　　4 結果分析

　　以下是部分典型工況在不計預應力各項損失的理想設計狀態下的計算結果，各工況分別是：time10――1/4懸臂長度時，time18――1/2懸臂長度時，time31――最大懸臂長度時，time33――邊跨合龍后，time35――中跨合龍后，time36――二期恒載作用后。現提取以上各工況下施工監控中關心的幾個截面位置的位移與應力計算結果，并與平面計算結果比較，具體分析如下。

　　4.1 位移

　　其中位移結果的分析比較如表2和表3所示。

　　由表2可見，對于施工過程中邊中跨出現的最大撓度，空間分析(ANSYS)算得結果較平面分析(MIDAS)的最大相差約為-2.031cm，出現在成橋時中跨內;最小相差為-0.30cm，出現在最大懸臂時的中跨內，除此兩項極值不計時平均相差為18.7%。表2表明兩種分析結果最為接近時，空間分析的較平面分析的僅相差0.035cm(-1%)。

　　表3給出的是5個工況下，兩種分析所得出的高墩中跨側懸臂端位移結果的比較情況。排除表內的極大和極小偏差后，空間分析較平面分析平均相差-23.3%，最大相差-0.88cm，出現在二期恒載作用時;最小偏差為-0.02cm。

　　4.2 應力

　　高墩中跨側懸臂根部斷面及高墩墩底的應力計算結果對比分析詳見表4～表5所示。

　　B、表中1#和10#截面頂、底板應力均取自于高墩中跨側;ANSYS給出的相應截面處的應力均值;

　　表4～5所示的是在與上述位移比較時相同的5個工況下，兩種分析所得出的施工過程中中跨懸臂根部1號截面、中跨10截面的應力比較情況。懸臂根部受力較為復雜，相比10號截面而言，兩種分析所給出的結果出入較大：1#截面頂板應力，空間分析結果較平面分析的平均相差-22.5%，10#位置僅相差-8.2%，在底板，前者平均相差-25.6%，后者則平均相差-7.3%。

　　綜觀表2～5可見，對于橋跨內絕大多數截面而言，平面分析(MIDAS)算得結果是偏于安全的。

　　5 結論

　　本文利用ANSYS軟件建立了橋梁的三維數值模型，成功模擬了其施工過程，并將其與平面分析模型進行比較，對于橋跨內絕大多數截面而言，平面分析算得結果是偏于安全的。但實體模型能夠比較真實的反映實際結構，能夠考慮結構的整體受力效應，得到的結果更為精確。

　　利用大型通用有限元軟件，建立充分考慮三向預應力筋的實體模型，完成橋梁施工空間仿真分析，這無疑將填補橋梁施工仿真分析上的一大空白，為進一步充分認識大跨徑連續梁式橋的空間力學行為開辟了全新的空間。

　　參考文獻

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