摘要：为研究裂缝宽度及深度对预应力混凝土箱梁结构受力性能的影响，采用分布裂缝模型，通过SolidWorks软件建立实体模型，利用ANSYS Workbench软件划分网格、添加动静荷载并采用降温法实现预应力加载，完成对实际桥梁进行有限元的分析计算，结果表明不同程度开裂对结构受力有一定影响，但不会对其结构极限承载能力和刚度造成严重损失。
关键词：预应力混凝土 裂缝 受力性能 ANSYS Workbench SolidWorks
1、概述
20世纪30年代以来，预应力混凝土结构在桥梁、大型建筑和水工结构等土木工程中得到了大量、广泛的应用。统计资料表明[1]：近20年来，我国所建混凝土桥梁中，75％以上采用的是预应力混凝土结构。然而，由于设计、施工和运营管理等方面的不足和缺陷，在役的许多预应力混凝土连续箱梁结构都存在不同形式的裂缝，这些裂缝的存在对结构的安全性、耐久性和正常使用产生了十分不利的影响[2]。
裂缝的出现引起周围钢筋和混凝土受力的变化，结构产生变形，刚度下降，从而导致内力重分布的现象。由于分布裂缝模型将单个裂缝连续化，不需要改变有限元网格划分，适用于有限元分析并且接近于工程实际情况，文中采用该模型进行分析。
2、结构有限元分析方法
2.1结构建模方法
此次建模过程中，采用SolidWorks软件构造出结构的各部分的零件图，然后通过配合的方式生成整体结构的装配体文件。裂缝可以由单独零件切割掉部分结构之后装配而成，从而构建出预应力混凝土结构有限元分析的全桥模型。
2.2结构分析方法
通过SolidWorks和ANSYS Workbench的无缝链接，将生成的结构装配体文件直接导入Workbench中，划分网格、添加荷载和控制截面，进行实际的结构受力分析，可以得到直接得到实体单元的应力和应变结果。
在ANSYS中对预应力钢筋混凝土采用整体式的分析方法，将混凝土和钢筋的作用一起考虑，其原理如下：
（1）
式中，T为预应力钢筋单元的降温量；Ny为有效预应力；α为热膨胀系数；Ay为预应力筋面积。
采用降温法模拟预应力可以采用多种单元和实常数模拟预应力的损失。当预应力钢束的位置一定时，充分考虑其对结构的影响，模拟张拉不同的钢束来优化张拉顺序。
3、工程实例
3.1工程概况
现浇预应力混凝土连续箱梁桥，跨径组合为（20+32+20）m，桥面宽度为8.5m，梁高为1.6m，箱梁类型为单箱单室。汽车荷载等级为公路—II级，设计安全等级为二级，环境类别为I类、II类。本桥采用C40混凝土，预应力钢绞线公称直径15.20mm，公称面积139mm2，标准强度1860Mpa。
3.2 SolidWorks实桥建模
（1）按照预应力混凝土连续箱梁桥的设计图纸，确定各箱梁节段的尺寸关系，分别画出其装配体零件；
由于桥梁为对称结构，所以建模的过程中取箱梁的一半进行实体建模。
（2）确定预应力筋与箱梁结构的关系，在装配体中分割出预应力筋的位置，然后再单独构造出预应力筋的零件，将其与箱梁装配体文件配合。
（3）在边横梁处的支座为双支座，中横梁为单支座，构造出支座零件，同样地进行配合。箱梁的裂缝假设在第一跨的跨中位置，通过找到其位置，拉伸切除掉一定宽度和深度的裂缝，生成新的零件，可以得到1/4连续桥梁的装配体模型，如图1所示。
图1 1/4连续桥梁的装配体模型
3.3 Workbench有限元分析
将SolidWorks生成的连续箱梁的装配体模型通过链接进入Workbench的编辑页面。输入预应力钢束和混凝土的材料特性。
选取第一跨的跨中和中间支座处为两个控制截面，在边横梁、第一跨跨中、中支座以及全桥跨中位置均设置工作坐标面；将单元大小设置为0.5m，自适应性划分网格；添加约束，边支座位置处为固端约束，中支座为可以横向移动的支座；添加荷载包括结构自重、汽车活载和预加应力。研究主桥跨中位置，在跨中下挠最不利和上挠最不利两种情况的极限承载力及刚度的变化情况。
选择裂缝处于主桥跨中截面的同一位置，采取不同的裂缝失效宽度和深度对其进行计算，分别设定宽度为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.20mm时对应的裂缝深度为28mm、33mm、39mm、46mm。
3.4结果分析
文章首先由Midas Civil计算出无损伤结构的承载力及刚度结果，然后将不同开裂情况的结构导入ANSYS Workbench经过相同情况的加载和分析，同样选取极限承载力、开裂弯矩、活载作用下位移为比较参数，可以得到不同失效宽度模型下计算结果。对各状态结构建模分析结果进行比较，具体数据见表1。
表1 不同裂缝宽度结构数据表
从理论上来说，预应力混凝上梁桥在运营阶段，是不应该存在裂缝的。因为裂缝不仅会削弱桥梁结构的刚度，同时会加速钢筋锈蚀，而且钢筋锈蚀则会引起体积膨胀，从而导致混凝土开裂，恶性循环之下会破坏混凝土的受力性能，降低材料的耐久性能。所以研究裂缝对于预应力混凝土结构的承载能力及刚度的影响具有重要的实际意义，在实际开裂结构的承载力分析中，需要按照实际检测的裂缝宽度综合分析采取合适的裂缝宽度来进行有限元模拟，从而得到有效的结果。
4、结论
本文采用实际的预应力混凝土连续箱梁桥的实体建模，研究了裂缝对其结构承载能力和刚度的影响。通过本文的分析研究，得出结论：
裂缝宽度对箱梁结构的计算结果是有影响的，但是影响不大，一般都在工程误差允许的范围之内，所以实体建模的过程中，可以依据实际的开裂状况选取合适的裂缝失效宽度。
本文的研究过程中没有考虑预应力的损失，在建模过程中也进行了许多的简化，为了进一步研究裂缝对预应力混凝土承载能力的影响需要进行更加深入的研究和探讨。
参考文献：
[1]刘伯明，王邦楣.桥梁工程检测手册[M].北京：人民交通出版社，2002.
[2]交通部公路科学研究院.在用预应力混凝土连续梁、连续刚构桥箱梁裂缝调查报告[R].北京：交通部公路科学研究院，2007.
[3]苏彬.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治研究[D].西安建筑科技大学，2009.
论文作者:葛昊宇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/14
标签：预应力论文; 裂缝论文; 结构论文; 混凝土论文; 支座论文; 宽度论文; 建模论文; 《基层建设》2019年第8期论文;