預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁計算的分析

1、-WORD格式 - 可編輯 -預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁施工階段分析石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院2014年 1月-WORD格式 - 可編輯 -預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁施工階段分析對超靜定的橋梁其施工方法、順序以及過程往往決定其成橋的內(nèi)力，而我國橋梁規(guī)范中配筋是按內(nèi)力進(jìn)行的 ，所以橋梁的施工階段分析是極其重要的。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的施工過程中會發(fā)生體系轉(zhuǎn)換，施工過程中臨時墩 、臨時拉索等臨時結(jié)構(gòu)的設(shè)置與拆除、上部結(jié)構(gòu)和橋墩的支承條件的變化對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移會產(chǎn)生非常大的影響。另外施工過程中隨著混凝土材料的材齡發(fā)生變化構(gòu)件的彈性模量和強度也會發(fā)生變化?；炷列熳?、收縮，預(yù)應(yīng)力鋼束的松弛等都會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分配并對位移

2、產(chǎn)生影響。橋梁的最不利應(yīng)力有可能發(fā)生在施工過程中 ，所以除了對橋梁的成橋階段進(jìn)行驗算外 ，對橋梁的施工過程也應(yīng)進(jìn)行承載力驗算。一、工程 簡介某鐵路梁橋為（ 40m+64m+40m）單線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。結(jié)構(gòu)形式為3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁全長145.2m，中支點處梁高 5.2m，跨中 3.2m, 直線段高為 3.2m。梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端距離 0.75m。箱梁采用單箱單室、變截面、變高度結(jié)構(gòu)。箱梁頂面寬 4.9m，箱梁底面寬 4m，頂板厚度除梁端附近外均為 35cm；底板由跨中的30cm，按二次拋物線變化至根部 70cm；腹板由 40cm至60cm，按折線變化。

3、箱梁采用 C50高性能混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為 f pk=1860MPa、彈公稱直徑為 j 15.20mm高強度、低松弛鋼絞線。橋梁的分段情況如圖 1所示，跨中及墩頂標(biāo)準(zhǔn)截面如圖2所示，施工大致順序為：下部結(jié)構(gòu)安裝墩旁施工支架，安裝主墩處永久支座、臨時固結(jié)措施在支架上現(xiàn)澆0號塊張拉 0號塊預(yù)應(yīng)力在 0號塊上拼裝掛籃澆筑 1號塊張拉 1號塊預(yù)應(yīng)力移動掛籃 澆筑 7 號塊，同時搭設(shè)并預(yù)壓邊跨現(xiàn)澆支架張拉 7號塊預(yù)應(yīng)力拆除邊跨現(xiàn)澆支架上的壓重，澆筑邊跨段混凝土，拆除所有掛籃搭建邊跨合龍吊架，同時加用水箱做的壓重，中跨合龍段同步施加相應(yīng)的壓重安裝合龍段勁性骨架澆筑邊跨合龍段混凝土，同時

4、卸載邊跨相當(dāng)于混凝土重量的壓重張拉邊跨合龍鋼束拆除邊跨現(xiàn)澆支架及邊跨吊架，卸掉中跨合龍段的部分壓重，每側(cè)留下相當(dāng)于中跨合龍段重量一半的壓重拆除墩頂臨時固結(jié)措施安裝中跨合龍段吊架，安裝中跨合龍段勁性骨架澆筑中跨合龍段混凝土，同時卸載壓重張拉剩余預(yù)應(yīng)力拆除中跨合龍段吊架施工橋面及其它附屬設(shè)施。本例題以此橋為工程實例重點介紹 MIDAS/Civil 的施工階段分析功能、鋼束預(yù)應(yīng)力荷載的輸入方法以及查看分析結(jié)果的方法等。主要包括分析預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時定義鋼束特性、鋼束形狀、輸入預(yù)應(yīng)力荷載、定義施工階段等的方法，以及在分析結(jié)果中查看徐變和收縮、鋼束預(yù)應(yīng)力等引起的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和內(nèi)力變化特性的步驟和方法。-W

5、ORD格式 - 可編輯 -圖 1 梁體輪廓圖圖 2 箱梁斷面圖圖 3 分析模型-WORD格式 - 可編輯 -二、預(yù)應(yīng)力混凝土梁的分析步驟預(yù)應(yīng)力混凝土梁的分析步驟如下。1. 定義材料和截面2. 建立結(jié)構(gòu)模型3. 定義時間依存性材料特性值并連接4. 定義并構(gòu)建結(jié)構(gòu)組5. 定義并構(gòu)建邊界組6. 定義荷載組7. 輸入荷載施工階段荷載鋼束特性和形狀鋼束預(yù)應(yīng)力荷載8. 定義施工階段9. 輸入移動荷載數(shù)據(jù)10. 運行結(jié)構(gòu)分析11. 查看結(jié)果懸臂法施工的橋梁階段分析可以用一般 “手工”方法，也可以用建模助手。用建模助手比較簡單方便，可以自動完成上述步驟；用一般方法可以更加詳細(xì)、準(zhǔn)確地建模和定義施工階段。（一）

6、定義材料和截面設(shè)置操作環(huán)境打開新文件 (新項目 ) ，以 PSC beam 為名保存 (保存 ) 。將單位體系設(shè)置為 kN和 m。該單位體系可根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的種類任意轉(zhuǎn)換。定義材料和截面下面定義 PSC beam所使用的混凝土和鋼束的材料特性。定義預(yù)應(yīng)力箱型梁（ C50） 、橋墩（ C40） 、鋼束的材料（鋼絞線）的材料。操作路徑為特性 材料特性值。定義截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工階段分析時，橋墩的影響不大，本例題不建立橋墩模型；對連續(xù)剛構(gòu)橋，橋墩是要建立的。本橋箱梁截面在標(biāo)準(zhǔn)截面可以找到，所以直接使用。-WORD格式 - 可編輯 -參照圖 4定義跨中預(yù)應(yīng)力箱型梁截面（依次建立各控制截面，控制截面

7、為中支座隔板、中支座、 3#、4#、跨中、邊支座、邊支座隔板）模型/ 特性值/截面箱型梁表單截面號 (1);名稱 (支座)截面類型 單箱單室;查看選項 截面大樣偏心 中央-上部外輪廓表單HO1(0.2) ; HO2(0.35);HO3(4.7)BO1(0.45);BO2(0) ; BO3(3)內(nèi)輪廓表單變截面點 開/ 關(guān) JI2 ( 開),JI4( 開 )HI1(0.395); HI2(0.2);HI3(3.65)HI4(0.3);HI5(0.7)BI1(1.4);BI1-2(0.8)BI3(1.4); BI3-2(0.8)查看選項 實際截面-WORD格式 - 可編輯 -圖4 定義支座截面使用

8、輸入的截面號預(yù)應(yīng)力箱型梁截面生成變截面類型 ( 參照圖 5) 。模型 /特性值 /截面變截面表單截面號（） ;名稱 ( 中支座隔板 - 中支座 )截面類型 單箱單室 ;截面-I ( 中支座隔板 )截面 -j (中支座)截面沿 y軸的變化 線性 ; 截面沿 z軸的變化 二次偏心 中央-上部圖 5 變截面的構(gòu)成-WORD格式 - 可編輯 -按照此方法依次輸入其他各變截面（中支座隔板 - 中支座、中支座 -3# 、3#-4# 、4#跨中、跨中 - 邊支座、邊支座 - 邊支座隔板，同時需要反向建立各變截面）定義材料的時間依存性并連接為了考慮混凝土徐變、收縮以及抗壓強度的變化，下面定義材料的時間依存特性

9、。為了方便數(shù)據(jù)的輸入先將力的單位改為 N，長度單位改為 mm。運行命令主菜單 特性 時間依存性材料 徐變 / 收縮。點擊添加按鈕，然后按圖 6填寫數(shù)據(jù)。這里的構(gòu)件理論厚度與截面有關(guān)，這里先暫定 1000mm，以后可以再修改。圖6. 定義材料的徐變和收縮特性混凝土澆筑后隨時間變化而逐漸硬化，時間越長其強度越大。本例題根據(jù)CEB-FIP所規(guī)定的混凝土強度發(fā)展函數(shù)考慮了混凝土的這一特性(參照圖7)。圖7. 定義隨時間變化的混凝土強度發(fā)展函數(shù)-WORD格式 - 可編輯 -參照圖 8將一般材料特性和時間依存材料特性相連接。即，將時間依存材料特性賦予相應(yīng)的材料。圖 8. 連接時間依存材料特性（二）建立結(jié)構(gòu)

10、模型根據(jù)圖紙建立結(jié)構(gòu)模型，務(wù)必準(zhǔn)確設(shè)定各變截面尺寸，橋梁計算跨度為（ 39.85+64+39. 85）m。圖9. 建立幾何模型-WORD格式 - 可編輯 -（三）定義結(jié)構(gòu)組、邊界條件組和荷載組為了進(jìn)行施工階段分析，將在各施工階段 (construction stage)所要激活和鈍化的單元和邊界條件定義為組，并利用組來定義施工階段。這里假設(shè)兩 T 構(gòu)同時施工經(jīng)過同樣的施工階段直到合龍段。因為在施工階段梁段的安裝和拆除是通過結(jié)構(gòu)組的激活和鈍化命令來完成的，所以應(yīng)該將同時施工的單元定義為一個結(jié)構(gòu)組。本例不考慮兩個T 構(gòu)施工時間的差異，所以建立結(jié)構(gòu)組時沒有區(qū)分左右兩個T 構(gòu)的對應(yīng)梁段的不同，而是將它

11、們定義成了一個結(jié)構(gòu)組，比如“主梁節(jié)段 1”就包括了兩個 T 構(gòu)的 4 個1號塊。運行命令 主菜單 結(jié)構(gòu) 組 結(jié)構(gòu)，需要建立的結(jié)構(gòu)組為零號塊、梁段1、梁段 2、梁段3、梁段 4、梁段 5、梁段 6、梁段 7、中跨合攏、邊跨合攏和直線現(xiàn)澆段定義的結(jié)構(gòu)組還要分配給包含的梁段單元。方法是先在模型窗口中選擇單元，然后將組樹形菜單中的某個結(jié)構(gòu)組拖放到模型窗口中，如圖10就是將主梁節(jié)段6分配給對應(yīng)的梁段單元。圖 10 分配梁單元至結(jié)構(gòu)組需建立的邊界組：主墩支座、臨時固結(jié)、邊支座和體系轉(zhuǎn)換，如圖11所示。永久支承中的邊界條件包括：1、4號橋墩處支座底節(jié)點的固結(jié)以及2、3墩底固結(jié)，均為一般支承類型。2、 3號墩

12、 0號塊臨時固結(jié)的邊界條件包括：2、3號墩頂節(jié)點與對應(yīng)支座-WORD格式 - 可編輯 -頂、底節(jié)點以及對應(yīng)主梁節(jié)點的剛性連接，墩頂節(jié)點為主節(jié)點。圖 11邊界條件組荷載包括各節(jié)段（沒有 0 號塊）底模拆除前的混凝土濕重、激活節(jié)段單元后自重、掛籃（吊籃）荷載、預(yù)應(yīng)力荷載、壓重和二期恒載。首先建立這些荷載對應(yīng)的荷載工況，荷載類型均為 施工階段荷載 。下面定義荷載組并施加荷載：1）自重自重是單元激活后自動施加的。用命令結(jié)構(gòu) 組 B/L/T 定義荷載組定義一個名為自重的荷載組，然后用命令荷載自重定義自重荷載，荷載工況為“自重”，荷載組為“自重”，自重系數(shù)在z后填 -1.0 。2）掛籃（吊籃）荷載掛籃荷載

13、的施加與濕重類似。首先定義荷載組：2 號墩 17節(jié)段施工掛籃、 3 號墩 1-WORD格式 - 可編輯 -7 節(jié)段施工掛籃、左右邊跨合龍吊籃和中跨合龍左右吊籃。掛籃作用在前一節(jié)段的懸臂前端。掛籃重量暫按 450kN 考慮， 吊籃暫按 200kN 考慮 （根據(jù)具體掛籃圖紙確定）為了確定掛籃荷載的大小與作用位置，需要對掛籃的作用情況進(jìn)行較詳細(xì)的分析。下面的分析以菱形掛籃為例，其它類型的掛籃與此基本一致（如三角掛籃）或類似（如牽索式掛籃） 。圖 12 掛籃荷載示意圖掛籃對主梁的作用可用圖12來表示。由于混凝土濕重是由掛籃傳遞到已澆筑梁段上的，所以圖中 W為正在澆筑的梁段混凝土濕重+施工荷載 +模板（

14、包括底模、側(cè)模和內(nèi)模）及其支承架的重量。作用于掛籃上的直接荷載包括主桁架自重和由前吊帶傳遞的 W/2。掛籃荷載對主梁的作用應(yīng)該是向下的 F1+W/2和向上的 F2。對主梁用線單元模擬的情況，一般可以假設(shè) F1和作用在已澆筑梁段底板上的 W/2的作用位置相同，所以按一個力 F1+W/2考慮，其作用點也近似認(rèn)為在已澆筑梁段懸臂的最前端。 F2的作用位置由掛籃尺寸來定。掛籃確定后， F 1、 F2和W的值是可以計算出來的，其作用位置也是確定的，這樣就可以精確模擬掛籃荷載。但通常情況下對掛籃荷載進(jìn)行如下的簡化：將 F2的作用位置前移到掛籃的前支點，與 F1的作用位置相同，同時附加一個彎矩 M=F2e（

15、 e為掛籃前后支點的距離）。這樣掛籃荷載就包括：前支點的豎向荷載就是掛籃全部重量 +正在澆筑混凝土的濕重，同時還有一個彎矩作用在前支點。因為混凝土濕重單獨考慮，所以此時實際的掛籃荷載是：作用在已澆筑梁段懸臂前端的豎向力（掛籃全部重量）和一個附加彎矩M。顯然 M的值在空掛籃狀態(tài)與澆筑混凝土狀態(tài)是不相同的，為了便于掛籃前移（通過鈍化后面的力，激活前面的力來完成），一般將該M值也分成兩部分：一是由掛籃重量引起，一是由混凝土濕重引起。掛籃重量引起部分屬于掛籃荷載工況，混凝土濕重引起部分屬于混凝土濕重工況。對空掛籃進(jìn)行計算，可以得到 F1 和 F2 的大小。對于本例，采用的是菱形掛籃，最后計算得到掛籃荷

16、載的豎向力為 450kN，附加彎矩為 956.25 kNm。施加掛籃荷載需要一個荷載組一個荷載組地施加，例如施加作用在2號墩兩側(cè)3號-WORD格式 - 可編輯 -塊上的掛籃荷載：荷載類型“節(jié)點荷載”；荷載工況為“掛籃荷載”；荷載組為“ 2 號墩3節(jié)段施工掛籃”；豎向集中荷載大小FZ=-450kN，左側(cè)附加彎矩 -956.25 kNm，右側(cè)附加彎矩 956.25 kNm； 荷載作用點在2號塊的懸臂前端。混凝土澆筑時處于流動狀態(tài)，在養(yǎng)生階段由于在掛籃上其本身處于零應(yīng)力狀態(tài)，所以在其對應(yīng)單元激活前可以認(rèn)為是純粹的荷載，通過掛籃施加在已澆筑的梁段上。荷載的作用位置為由掛籃的支承位置決定，這里認(rèn)為是作用

17、在相鄰已澆筑梁段的懸臂前端。 0 號塊及邊跨現(xiàn)澆段的濕重是由其支架承受的，合龍段的濕重右壓重考慮，所以節(jié)段濕重僅考慮 1 7 號塊澆筑與養(yǎng)生狀態(tài)對其前段的濕重荷載。將最大懸臂處的壓重放在這個荷載工況中。需建立的荷載組：2 號墩 17號段濕重、 3 號墩 17 號段濕重和左右中跨壓重。左右邊跨壓重荷載是隨著邊跨合龍段混凝土的澆筑逐步卸載的，而且澆筑時間短，所以不再單獨考慮。左右中跨壓重是在邊跨合龍時起作用的，中跨合龍時也不單獨考慮。施加的濕重荷載如前所述包括豎向集中力和附加彎矩，需要根據(jù)節(jié)段的體積和掛籃尺寸來計算。施加節(jié)點荷載后模型如圖14所示。圖 13荷載組圖 14 施加節(jié)點荷載模型圖-WOR

18、D格式 - 可編輯 -4）預(yù)應(yīng)力荷載這里的預(yù)應(yīng)力荷載指的是縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的荷載。要把每一鋼束產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力荷載都要在確定的施工階段中激活，首先要定義它們的鋼束特性值、鋼束形狀和鋼束預(yù)應(yīng)力荷載。在定義鋼束預(yù)應(yīng)力荷載時，要指定鋼束所在的荷載工況和荷載組，以方便在正確的施工階段激活?？梢园淹瑫r激活（即同時張拉）的鋼束定義在一個荷載組內(nèi)。首先定義鋼束特性值。鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)強度為 1860MPa，松弛率不大于 0.025 ，彈性模量 1 95GPa。管道摩阻系數(shù) 0.26 ，管道偏差系數(shù) 0.003/m ，鋼束回縮和錨具變形每端 6mm。按上述參數(shù)的取值填寫圖 15所示的對話框。圖15 鋼絲束特性下面定

19、義每一鋼束所在的荷載組，這些荷載組包括：2、3號墩各自的 07號塊的頂板懸澆束；中跨頂板連續(xù)束；中跨底板連續(xù)束；邊跨頂板連續(xù)束；邊跨底板連續(xù)束。鋼束形狀定義每一束鋼束的形狀都得定義。定義鋼束形狀有三種方法：一是直接利用鋼束形狀對話框；二是用“鋼束形狀生成器” ；三是利用 MCT 命令直接定義鋼束形狀。其中利用“鋼束形狀生成器”是最簡便的方法。預(yù)應(yīng)力荷載施加，根據(jù)各束預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。5）二期恒載二期恒載這樣定義：荷載類型為“梁單元荷載”中的均布荷載，荷載工況為“二期恒載”，荷載組為“二期恒載”，荷載方向為整體坐標(biāo)系Z向，荷載數(shù)值中的 w=-76.4kN/m。-WORD格式 -

20、 可編輯 -（四）定義施工階段施工階段分析模型的階段是由基本、施工階段、最后階段組成的?；倦A段是對單元進(jìn)行添加或刪除、定義材料、截面、荷載和邊界條件的階段，可以說與實際施工階段分析無關(guān)，且上述工作只能在基本階段進(jìn)行。施工階段是進(jìn)行實際施工階段分析的階段，在這里可以更改荷載狀況和邊界條件。最后階段是對除施工階段荷載以外的其他荷載進(jìn)行分析的階段，在該階段可以將一般荷載的分析結(jié)果和施工階段分析的結(jié)果進(jìn)行組合。最后階段可以被定義為施工階段中的任一階段。前面已經(jīng)給出了橋梁施工的大致順序，現(xiàn)根據(jù)施工的順序定義施工階段。先將各個施工階段的大致內(nèi)容說明如下：1）施工階段 1 （0 號塊施工）激活的結(jié)構(gòu)組：

21、2、 3 號橋墩以及對應(yīng)的0號塊。激活的邊界組： 2、 3 號橋墩墩底約束以及其上對0號塊的臨時固結(jié)約束。激活的荷載組： 0 號塊上的預(yù)應(yīng)力，掛籃以及1號塊對應(yīng)混凝土濕重。2）施工階段 2 （1 號塊施工）激活 1號塊對應(yīng)單元，鈍化上一施工階段的掛籃即混凝土濕重荷載，激活相應(yīng)預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃以及2號塊對應(yīng)混凝土濕重荷載。3）施工階段 37 （ 26 號塊施工）重復(fù)施工階段 2的步驟，模擬張拉預(yù)應(yīng)力、掛籃行走和澆筑混凝土的過程。4）施工階段 8 （7 號塊施工）激活 7號塊對應(yīng)單元，鈍化上一施工階段的掛籃即混凝土濕重荷載，激活相應(yīng)預(yù)應(yīng)力荷載；激活邊跨現(xiàn)澆段單元以及對應(yīng)的臨時支承邊界組。5）施工階段 9 （邊跨合龍）開始時激活吊架及壓重荷載，待邊跨合龍段混凝土達(dá)到強度后張拉邊跨合龍段預(yù)應(yīng)力、拆除邊跨吊架并卸載全部邊跨壓重及部分中跨壓重、鈍化邊跨現(xiàn)澆段支架約束、激活1 號和 4 墩永久邊