文摘
为了研究拱脚开裂的原因,使用多尺度数值模拟方法建立的有限元模型Xizha小青河的桥梁在施工阶段修复项目在济南利用Midas民事,内力在不利条件下提取。在此基础上,利用有限元分析建立拱脚的局部模型,并介绍了塑性损伤模型参数进行应力分析。结果表明,锚固预应力钢束的压力太高了。一方面,产生的应力分量的弯曲预应力钢束可以挤压混凝土在弯曲角,另一方面,它会伸展弯曲角外的混凝土,导致混凝土开裂。有一种倾向拱肋之间的相对位移和拱脚,表面和界面拱脚和拱肋拱肋的位移,导致开裂。拱脚内弯曲产生一定的拉应力,如果这个地方没有足够的关注,强化不足将会产生巨大的裂缝。最后,建议可以避免混凝土开裂下安排足够的钢筋锚和密封钢筋,钢丝网加密,安排剪力钉和扩展插入深度。
1。介绍
对钢管混凝土steeltube拱桥挂钩,开裂在拱脚更常见。本文把小青的西门桥河康复项目在济南城市为例,大富翁是用来分析完成了西门桥的桥,和不同工况下的局部应力。拱脚进行的详细的建模,和当地的部分压力是用作外部负载。有限元分析有限元软件用于获得应力云图和拱脚在不同工作条件下的塑性损伤,裂缝产生的原因进行了分析,提出了控制措施。目前大多数研究[1- - - - - -5)表明,拱脚关节的结构很复杂,容易产生应力集中,导致混凝土开裂。摘要多尺度数值模拟方法用于研究开裂原因及裂缝控制的拱脚。
2。工程总结
小青河的Xizha桥修缮工程山东省工程背景,中国,这座桥是一个相关的钢管混凝土拱桥跨度90米和17.2米上升。拱轴线方程y= 4x(l−x)/l2,矢跨比计算f/l= 1/5,l= 86f= 17.2 m。拱肋采用一个哑铃型钢管混凝土拱肋截面高度260毫米,壁厚1.8厘米;网填充钢管自密实混凝土补偿收缩,和C55混凝土用于拉梁和横梁。系梁和端梁预应力钢梁提供预应力,预应力钢和两组存在拱脚。的布局主要桥是如图1和2。
3所示。有限元分析模型
之前的部分分析拱脚,拱脚应该计算的应力状态,也就是说,整个桥的内力状况截断的拱脚模型(6]。因此,整个桥梁的有限元分析建模首先开展获得整个桥梁的应力状态在不同的工作条件,然后它被用作外部负载输入当地的建模的拱脚7]。
3.1。有限元建模的完整的桥梁
用于建立有限元软件Midas /民用机械Xizha桥有限元模型在施工阶段。吊带裤由桁架单元模拟总(30),并使用梁单元模拟梁部分(887)。拱肋部分由关节部分。Xizha桥的空间有限元模型图所示。根据实际施工过程安排,共有18个建设阶段划分、具体分工表中列出的结果1。迈达斯大桥模型如图3。
3.2。建立当地的拱脚的模型
3.2.1之上。模型的假设
(1)拉梁的长度是9000毫米,端梁的长度是1850毫米,和拱肋拱脚表面延长800毫米。(2)初始材料缺陷和残余应力的影响的整体力量结构不考虑。(3)根据把原理、应力分布的部分并不影响遥远的应力分布。(4)假设钢筋总是处于线弹性阶段,没有塑性变形。(5)混凝土的蠕变是不考虑。3.2.2。定义模型的材料
混凝土标号C55,拱肋钢管Q355,钢筋采用HRB400,预应力钢束采用低松弛钢绞线符合国家标准GB / T5224, fpk= 1860 MPa,净保护层是3.5厘米。后计算(8,9),C55混凝土塑性损伤模型的参数输入到有限元分析。
(1)模拟混凝土。为了获得准确的结果尽可能的结构有限元分析中使用网格划分技术通过合理分区。大多数混凝土结构是C3D8R eight-node六面体的元素,和部分C3D6楔元素和C3D10四面体元素用于局部地区。
在定义材料属性,为了真正模拟混凝土的压力,有必要确定混凝土的本构关系。混凝土单轴应力-应变关系的决心来自混凝土结构设计规范中的相关公式。
混凝土单轴应力-应变公式的混凝土结构的代码设计如下:混凝土单轴受拉的应力-应变公式:
混凝土单轴压缩应力-应变公式: 在哪里混凝土单轴抗拉强度的代表值,MPa;下的混凝土单轴损伤演化参数张力;是下行的参数部分的单轴拉伸状态下混凝土;混凝土单轴抗拉强度的拉伸应变峰值;是混凝土的单轴抗压强度代表值,MPa;混凝土单轴抗压强度的峰值压应变;是下行的参数部分的单轴压缩下的混凝土;是单轴压缩下混凝土的损伤演化参数。
(2)模拟钢棒和钢管。假设没有塑性变形钢筋与钢管、钢筋元素采用T3D2三维双节点桁架元素,元素和arch-ribbed钢管采用默认S4R节点表面壳单元。
(3)模拟预应力钢束。为了施加预应力的预应力钢束冷却方法,膨胀系数需要设置,设置为1.2e−5。预应力钢束使用相同的T3D2三维双节点桁架元素钢网。
3.2.3。模型网格划分
为了获得更精确的二阶精度,具体采用hexahedral-based啮合的方法。拱肋钢管是建模的形式外壳,使用S4R元素类型。T3D2三维双节点桁架元素是用于钢筋和预应力钢束。模型的网格划分如图4。
3.2.4。拱脚的交互模型
拱脚铸造方法是集成铸造,内置的区域,可以模拟钢网之间的关系和预应力钢束和混凝土,也没有需要考虑锚固情况。强化网络和预应力钢束设置为两个嵌入式领域,分别和具体组件设置为主要区域,和互动关系是通过内置的功能定义的区域。拱肋钢管拱肋混凝土,混凝土和拱脚通过绑定约束绑定在一起。
3.2.5。边界条件
拉梁的截断面限制纵向位移和横向和纵向的角度桥,结束的截断面光束限制了横向位移和纵向的角度和垂直桥拱脚的底部限制垂直位移和纵向和横向的角度桥,最后力梁拉梁是取代反应部队的支持。
3.2.6。加载情况下
(1)每个施工阶段的内力Midas民事模型进行了分析,并发现,在三个工作条件下内力变化明显。因此,Midas公民的整体建模分析结果提取并导入到本地有限元模型,分析了三种最不利的工作条件,如表所示2。(2)温度场摘要温度下降方法用于模拟预应力钢束的预应力。由于预应力钢梁的温度因素减少,产生温度应力和预应力钢束应力的模拟。冷却振幅计算使用以下公式: 在哪里是拉应力控制的钢束,1395 MPa;钢梁的压力;的弹性模量是钢束,195000;钢束的线性膨胀系数,1.2e−5;是冷却范围,−596.15°C。
4所示。有限元模型的分析结果
计算模型得到简化模型,划分三维组件和合理的啮合。在本节中,钢筋和混凝土的应力分析,并主要主拉应力和压应力云图是观察到的10- - - - - -12]。该地区三个工作条件下的最大应力,和普通压力分布规律进行了总结。通过观察DAMAGEC场分布的混凝土构件图和DAMAGET场分布图,区域压缩塑性变形和拉伸塑性变形是发现,和有针对性的治疗措施,提出了裂缝在这个地区。
4.1。工况分析10个结果
以下4.4.1。分析主要的拱脚混凝土拉应力云图
为了方便观察应力云图的关键部分,较大的主压应力和主压应力引起的预应力锚固是隐藏在分析、元素和过度压力造成的锚地移除。如图5,可以发现,在工况,最大主拉应力出现在三个地方:第一个是中心位置下方的拱脚,第二个是拱肋之间的接口插入拱脚和拱脚混凝土,第三是拱脚的上边缘。
大型主拉应力的第二,指的是工程图纸,发现,如图6预应力钢束的下部有一个很大的垂直弯曲,这垂直弯曲导致预应力组件的一部分,形成垂直弯曲。下面的合力把混凝土,所以拱脚很容易形成一个大的主拉应力的地方预应力钢束弯曲,导致可能的裂缝。
第二,伟大的主拉应力是由于巨大的拱肋轴力,从而导致混凝土的内相对滑动趋势表面上,然后产生一个巨大的拉应力保持变形协调,这是一个重要的混凝土裂缝的原因接口拱肋与混凝土表面。
4.1.2。云分析拱脚混凝土主压应力
发现有一个大的蓝绿色地区主压应力如图7类似于更大的主拉应力,其次在这一节中。更大的混凝土主压应力的原因在这方面是一样的,更大的主拉应力的一些具体在前一节中,这是由于预应力钢束的弯曲。
4.1.3。输出分析拱脚混凝土塑性损伤
从图可以看出8混凝土的抗压塑性损伤主要发生在预应力钢束的锚地。
从图9可以看出,混凝土的拉伸塑性损伤发生在主拉应力的地方前面提到的比较大。
前面的结果表明,尽管主压应力和混凝土主拉应力较大,塑性损伤主要是拉伸塑性损伤,裂缝的可能性在拱脚引起的拉伸开裂,远比由破碎引起的。
4.2。工况分析12的结果
数据10和11秀云图十二主拉应力和压应力的拱脚没有锚地。通过观察12条件的计算结果,发现每个压力的云图像类似于条件,这是因为负载条件12相似条件18日和相对预应力相对较小。拱肋之间的接口和拱脚,条件12的拉应力大于10的条件,这意味着最大主拉应力与轴向力的拱肋呈正相关。
4.3。分析工况17的结果
4.3.1。分析主要的拱脚混凝土拉应力云图
图12显示主要的云图拉应力在拱脚的锚固点工况17。工况17,主拉应力的上边缘的内弯拱脚不会增加增加的拱肋轴力,但它变得小于12 10工作条件和工作条件,表明这里的主拉应力不是由拱肋轴力。通过比较三个工作条件下拱肋的弯矩,发现的弯矩工况12是最大的,和工作条件10和17个是最小的工作条件。主拉应力的顺序也是一致的。因此,不难发现,这里的主拉应力来自于弯矩由拱肋,导致拉伸的一面。
4.3.2。云分析拱脚混凝土主压应力
图13图显示了云的主压应力拱脚没有锚固在工况17。最大主压应力的工况17小于12 10工况和工作条件,这是由于拱肋轴力越大,带来更大的水平力和降低混凝土的压应力方向拉梁预应力引起的。但与此同时,预应力钢梁承受更大的压力,这让更大的拉伸和压缩应力锚固端混凝土。
4.3.3。输出分析拱脚混凝土塑性损伤
数据14和15显示云混凝土塑性损伤。17的塑性损伤位置条件没有改变与条件10和条件12相比,但它有一定的发展锚固预应力钢梁,这证实了3.4.2分析。
5。原因和对策
5.1。裂缝的原因
(1)预应力钢束的锚固端压力太大。如果锚钢筋和锚加固等措施不够到位,预应力钢束的巨大压力最终将由混凝土承担。是否在紧张或压缩,它远远超出了极限承载力的混凝土,这是最重要的因素,在拱脚混凝土开裂。(2)预应力钢束的弯曲。自预应力钢束的拉伸应力很大,只需要一个小角显示一个巨大的应力分量。一方面,这种应力分量可以挤压弯曲角内的混凝土,另一方面,它会伸展弯曲角外的混凝土,导致混凝土开裂。(3)拱肋的相对位移趋势和拱脚。拱肋的大型轴向力导致的趋势更深入的拱脚位移。拱脚和拱肋之间的接口是由拱肋的位移,导致开裂。(4)张力由拱肋弯矩引起的。虽然与拱桥的拱肋弯矩很小,仍然可以在内部产生一定的拉应力拱脚弯曲,并略超过C55混凝土的拉伸极限。如果我们不足够关注这个地方和缺乏强化,可以产生巨大的裂缝。5.2。对策
(1)采取足够的锚固措施在锚固预应力钢梁。避免预应力钢束的牵引力量集中在一个小区域的混凝土。足够的锚加固和密封钢筋排列来提高钢筋混凝土的整体刚度,以确保它不会引起过度变形由于预应力钢束。(2)预应力钢束的薄弱部分尽可能顺利。避免撕裂混凝土由于大型预应力钢束弯曲的应力分量。如果弯曲角尽可能小,曲线尽可能平滑由于截面变化,应力分量不是集中在一小块混凝土。在弯曲的地方,要注意加密的钢网的安排来提高钢筋混凝土的整体刚度。(3)注意部分张力区由拱肋弯矩引起的。拱肋的弯矩很小,容易被忽视,但在拉伸区域最大主拉应力产生的弯矩的拱肋已超过C55混凝土的极限抗拉强度,而且有了根据第一强度理论。在紧张的地方可能引起的弯矩,钢筋还应该合理安排,避免开裂。6。结论
结合民用和有限元分析软件Midas,通过多尺度数值模拟分析,根据应力云图,拱脚的局部应力引起的预应力和外部负载。拱脚开裂的原因钢管混凝土拱桥进行了研究,包括(1)预应力钢锚端压力太大,导致混凝土在承受巨大的压力(2)造成的应力分量弯曲预应力钢链使混凝土的拉伸和挤压,导致混凝土开裂(3)的结拱脚和拱肋开裂是由于相对位移的趋势(4)有一定的拉伸应力的内弯拱脚,这将产生巨大的裂缝
在此基础上,设计和施工,应注意(1)安排足够的锚钢筋和锚加固;(2)调整预应力钢筋角;(3)安排钢筋,以避免引起的拉应力拱肋的弯矩。
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
山东省交通科技计划,中国2021 b85。