预应力混凝土竖向预应力弹性压缩损失的数值模拟分析

预应力混凝土竖向预应力弹性压缩损失的数值模拟分析

摘要：在预应力混凝土中竖向预应力的损失是造成腹板出现裂缝的主要原因之一。本文采用ANSYS软件对箱梁腹板进行模拟，并通过对单排与双排预应力的布置进行模拟分析，得出不同情况下的竖向预应力损失弹性压缩解。

关键词：预应力混凝土连续刚构；竖向预应力损失；数值模拟；腹板

Abstract: in prestressed concrete vertical prestress loss is one of the main causes of cracks on the web. This paper uses the ANSYS software to simulate the box girder webs, and makes the simulation analysis based on single and double rows layout of prestressing, obtained under different conditions of vertical prestress loss of elastic compression solution.

Keywords: prestressed concrete continuous rigid frame; the vertical prestress loss; numerical simulation; Web

1．预应力弹性压缩损失计算方法简介

连续刚构桥由于其良好的线性和美观性能，在桥梁设计中运用越来越广泛，但在实际施工中也存在大量的腹板斜裂缝，竖向预应力损失就是其中一项重要影响。

预应力损失主要有以下几个方面构成；预应力筋与管道之间的摩擦损失；块拼装构件接缝压密与锚具回缩所引起的预应力损失；钢筋与台座之间温差引起的预应力损失；混凝土弹性压缩引起的预应力损失；预应力筋松弛引起的预应力损失；混凝土收缩和徐变引起的预应力损失。其中对于，在后张法预应力混凝土中锚具在张拉过程中将承受巨大的压力，是锚具和锚下垫板发生变形；对于拼装混凝土结构的接缝，在锚固后也将会被压密变形。这些变形都将会使锚固后的预应力筋发生变形缩短，造成预应力的损失。文献规定一般按如下公式计算：

其中：----锚具变形，钢筋回缩和接缝压缩值之和（mm）

-----预应力钢筋的邮箱长度（mm）

----预应力钢筋弹性模量

其中的取值主要与张拉预应力筋的锚具有关，公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）规定锚具变形和螺帽缝隙为1mm。

2.双排与单排竖向预应力筋布置的有限元解

本文主要利用ANSYS进行有限元模拟分析，ANSYS模拟预应力的方法主要由以下两种：等效荷载法和实体力筋法。其中实体力筋法是将混凝土和力筋划分为不同的单元，混凝土单元采用solid单元来模拟，预应力钢筋采用link单元模拟，建模中可以采用施加温度荷载或者输出初应变来模拟预应力，其主要优点是可以使计算精度得到比较有效的保证，对混凝土结构的应力能够进行比较精确的模拟。

对于变截面梁连续刚构桥，多采用双排竖向预应力筋配置，由于其腹板为薄臂结构，可以简化为平面应力状态，且其顶板和底板对腹板的竖向位移影响并不大，故本文只对其腹板进行建模分析。某大桥采用32的精轧螺纹钢作为竖向预应力筋。本文采用ANSYS软件建立一段长为6m，厚度为80cm的腹板，竖向预应力筋为间隔50cm的双排布置方式，采用一端固结，一段自由的悬臂约束方式。竖向应力筋的张拉顺序为自左向右依次张拉。其中用solid65单元模拟混凝土结构，link8单元模拟竖向预应力筋，模型中未考虑横向预应力张拉的影响。竖向预应力筋模型如图1所示:

图1 双排竖向预应力筋模型

整体结构模型如图2所示：

图2 整体结构模型

竖向预应力筋的平面图如图3所示，其中预应力钢筋与两边均相距12cm：

图3：竖向预应力布置平面图

利用ANSYS软件，采用APDL语言对张拉过程进行模拟，首先张拉4#竖向预应力筋，然后自1#至12#一次张拉，得出4#竖向预应力筋位置处的竖向位移如表1所示；4#周围竖向筋的张拉影响如表1，图4所示:

表1 张拉周围力筋对4#位置处的位移影响

图4双排布置周围力筋张拉对4#处位移影响曲线

为了对比单排和双排预应力筋对已张拉的竖向筋的弹性压缩的影响，在建立一个间隔为50cm，同样边界条件下，同样张拉顺序的的单排竖向预应力筋模型，利用ANSYS软件模拟得出的4#竖向力筋位置处的位移如表2，图5所示：

表2：单排布置时张拉周围竖向筋对4#位置处位移影响

图5 单排布置是周围力筋张拉对4#处的位移影响曲线

3.结论

从以上图表看出，不论是单排竖向预应力筋还是双排竖向预应力筋，随着距离的增大，其张拉影响的范围都是在逐步减小的；从图4和图7中可以明显看出分批张拉竖向预应力筋其影响范围在2m左右，两米之外张拉的竖向筋其影响可以忽略。双排布置的竖向预应力筋比单排布置的竖向预应力筋引起的弹性压缩损失要大将近一倍，因此建议在张拉双排竖向预应力筋是可以适当超张拉。在实际施工中由于是自左至右依次张拉，故只有4#力筋位置之后的力筋张拉会对4#位置处产生弹性压缩影响，并且取其后2m之内的力筋范围即可。