摘 要

随着预应力混凝土技术的发展，预应力混凝土结构在桥梁中的应用越来越广泛。由于预应力混凝土梁事先施加了内部应力，与普通钢筋混凝土梁相比，结构抵抗开裂的能力和承载能力都有了显著的提高。近年来, 随着公路交通量的不断增加，桥梁负荷日益加重,在长期运营过程中又经常受到环境侵蚀或超载作用的影响，这就使得对桥梁在较重荷载条件下的结构状态的了解和预测变得日益重要。为了了解桥梁的实际运营状态并进行及时的维修加固，在这之前需要对桥梁展开承载力的评定工作。

本文以一段我国公路桥梁通用的，30米跨径的后张法预应力混凝土T形截面梁为研究对象，进行静力荷载下的材料和结构非线性分析，研究混凝土和预应力筋的应力-应变关系、受弯构件正截面抗弯性能。以应变协调分析方法为主，在梁进入极限破坏状态时的跨中截面，进行计算得出该 T梁的极限承载力。同时对该梁进行ANSYA建模分析，仿真模拟其加载至破坏过程中的变形情况，进而得出其极限承载力。将两种方法的计算过程和计算结果相对比分析，探究二者之间的关系，系统地研究预应力混凝土梁的受力性能和极限承载力，并验证本次研究方法的合理性。对今后这类桥梁承载力的准确评定起参考作用。

关键词：预应力混凝土；极限承载力；正截面抗弯；应变协调分析方法；ANSYA非线性分析

Abstract

With the development of prestressed concrete technology, the application of prestressed concrete structure in the bridge is more and more extensive.Prestressed concrete beams and ordinary reinforced concrete beams, due to the prior application of the internal stress, the ability of the structure to resist cracking and carrying capacity has been significantly improved.In recent years, with the increasing of traffic volume of highway, bridge load aggravates day by day, in the course of a long-term operation and often have the effects of environmental erosion or overload, which makes to understand and predict the bridge under conditions of overload structure is becoming more and more important.In order to understand the actual operation of the bridge and the timely maintenance and reinforcement, before this need to carry on the bridge bearing capacity evaluation work.

In this paper, a 30 meter span prestressed concrete T beams as the research object, analyze the structure and material nonlinear static load. The study of concrete and prestressed reinforcement stress-strain relationship, flexural properties of flexural members. The strain compatibility analysis method based on cross section the beam into the ultimate failure state of the bearing capacity of the numerical calculation of the T beam. At the same time limit of the beam for ANSYA modeling analysis, simulation of the deformation and failure process of load bearing capacity, and concludes the limit analysis. The calculation process and calculation results of the two methods were compared, the relationship between on the two, the research on the prestressed concrete beam bearing capacity and ultimate bearing capacity of the system, and verify the rationality of the research method. The accurate evaluation of the future of this kind of bridge carrying capacity play a reference role.

Key words: prestressed concrete; ultimate bearing capacity; normal section bending; strain coordination analysis method; ANSYA nonlinear analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究工作 3

第2章 预应力混凝土简支梁应变协调法分析 5

2.1 应变协调分析法原理 5

2.1.1应变协调分析法简介 5

2.1.2极限状态构件截面应力状态 5

2.1.3 应变协调计算理论 6

2.2 原型梁介绍 10

2.3 材料的本构关系 12

2.3.1 混凝土材料的本构关系 12

2.3.2 预应力筋（钢绞线）的本构关系 15

2.4 计算过程 16

2.4.1 简化与假设 16

2.4.2 迭代计算过程 16

2.5 计算结果及分析 18

第3章 预应力混凝土简支梁有限元非线性分析 19

3.1 简化与假设 20

3.2 预应力混凝土梁有限元模型 20

3.2.1 分析模型 20

3.2.2单元类型与破坏准则 22

3.2.3 ANSYS材料模型 22

3.2 预应力混凝土梁非线性有限元分析方法 23

3.2.1 预应力钢筋和混凝土耦合方法 23

3.2.2 初应力施加和单元划分 25

3.2.3 施加约束和荷载以及求解控制 27

3.3非线性有限元分析结果 28

3.3.1 梁的初始受力状态 28

3.3.2 梁的极限破坏状态 30

3.3.3 模型梁的荷载一挠度曲线 32

3.3.4 混凝土的变化曲线 32

3.3.5 跨中预应力筋的荷载一应力曲线 34

3.3.6 ANSYS非线性分析结果汇总 35

第4章 结论 36

4.1 结论 36

4.2 展望 36

致谢 37

参考文献 38

附录A 应变协调法迭代计算c语言源程序 39

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

在国内外公路桥梁建设中预应力混凝土结构的应用非常广泛，而梁式桥是我国现桥梁中最为广泛的结构形式之一，其中绝大部分为预应力混凝土梁。近年来, 随着公路交通运输量以及车辆载重的不断增加, 桥梁负荷亦随之增加。而公路桥梁在长年累月的运营过程中受到荷载的反复作用，又经常受到超载和环境侵蚀等不利因素的影响, 这就使得了解和预测桥梁结构在重载情况尤其是桥梁的极限状态下的受力状态和破坏情况变得日益重要。目前国内许多钢筋混凝土T梁已经使用多年，进入老化或维护阶段且大部分存在病害情况，各地均出现过由于超载引起的桥梁垮塌的事件，如何简便、准确地了解桥梁的极限承载力成为关键而急迫的问题。为掌握在役桥梁的实际运营状态以便及时对病害桥梁进行维修加固，在这之前首先要进行的工作就是要评定桥梁承载力。

预应力混凝土结构的内应力是依靠事先张拉预应力筋来建立的，与构件的工作能力息息相关的是预应力筋束的有效预应力大小，它结构的关键受力部件。这不仅是在役结构的实际承载能力评判的主要技术依据，同时也是实际结构承载能力退化预测和加固决策的理论基础。与普通钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构的承载能力尤其是抵抗开裂的能力有了明显提升。一情况下预应力混凝土在使用过程中通常都带有裂缝，这些裂缝成为工程技术人员关心的重点，因为它对结构的抗弯刚度和承载能力以及耐久性都有影响。现有的桥梁设计规范仅考虑了开裂前和开裂后两个阶段，这在一定程度上与结构的实际情况存在偏差，因而如何更好地考虑桥梁在实际运营时的承载能力就非常重要了。