高强轻质混凝土（HSLWC）指采用高强轻骨料（主要是陶粒）配制的强度等级在CL40以上的轻质混凝土，其表观密度为1600kg/m³～1950kg/m³，比相同强度等级的普通混凝土轻25%～30%，应用于大跨度桥梁结构，可以有效减小结构自重，增大桥梁跨度，减少桥墩的数量，降低基础费用，而且对于地震区，可以降低地震作用，具有显著的综合经济效益^[1-5]。

目前，我国轻骨料混凝土强度普遍较低，缺乏HSLWC（CL≥40）的相关研究资料和工程应用经验。为推动HSLWC在桥梁工程的推广应用，交通部西部科研项目《轻质混凝土用于大跨径桥梁的研究》专门对HSLWC在桥梁中的应用进行了研究。本文以云南安宁至楚雄高速公路14号达连坝段公路桥为3跨预应力高强轻骨料混凝土连续刚构桥为

图1 桥梁模型试验

背景，进行了1/4缩尺比例的模型试验（图1），并用MSC.MARC模拟了车队荷载对桥梁的作用，分析了其受力性能和使用性能，为高强轻骨料混凝土桥梁的工程应用提供依据。

1.  试验模型

试验模型为工字形变截面连续刚构桥，见图2。为便于试验加载，根据汽－20级车辆荷载的实际分布，将车队相邻轮压荷载点合并，等效为3点集中荷载。整个桥梁模型试验共有5个加载点，其中中间跨3个加载点，两边边跨各1个。为模拟汽－20级车队荷载从桥上通过的过程，分别将3个千斤顶从南到北依次进行分级加载。此外，还考虑全桥满载和仅两个边跨加载的不利情况。整个加载分为5种工况，如图3。

2.  预应力张拉

因为预应力筋弯曲程度不大，摩擦损失很小，采用一端张拉（图4），实测结果表明两个端部的力传感器数值相近。张拉过程中两端预加力变化见图5。预应力张拉结束后，桥梁变形情况见图6。

图4  预应力张拉

图5  张拉过程中预加力的变化

图6  施加预应力后桥梁的变形

3.  有限元模型的建立

由于桥身变形以面内弯曲为主，因此采用平面应力有限元模型来模拟桥梁的整个加载过程。其中，混凝土采用4个积分点的四边形平面应力单元，钢筋采用四边形平面应变单元，预应力筋采用3个积分点的平面应变单元。为了反映试验过程中出现的梁端与支座脱开的现象，在支座处设置了接触单元。用固定的刚性接触体来代表支座，把与刚体相邻的单元设为可变形的接触单元（见图7）。

图7  模拟支座的接触单元

3.1 材料本构

混凝土受压应力－应变关系采用过镇海^[6]模型，应力－应变关系曲线按公式1和2，但参数按王振宇^[7]通过高强轻骨料混凝土试验得到的修正后参数。

其中， ； 。

钢筋和预应力筋均采用理想弹塑性模型，其中Φ10钢筋屈服强度为342MPa，Φ12钢筋屈服强度为413MPa，预应力筋屈服强度为1820MPa，其应力－应变曲线如图8所示。

(a) 非预应力筋

(b) 预应力筋

图8  应力－应变曲线

3.2 钢筋与混凝土的粘结及裂缝模型

预应力筋采用2D rebar单元，通过在初始条件中施加初始应力的方法对结构施加预应力。用2D rebar单元能自动实现预应力筋单元和混凝土平面应力单元的节点耦合，可以用来模拟有粘结筋的作用，即不考虑混凝土和钢筋间的粘结－滑移作用，而且方便建立曲线布筋的形式（图9）。

非预应力筋与混凝土之间同样进行节点间的耦合，不考虑粘结滑移的作用。

图9  预应力筋单元

混凝土开裂采用弥散裂缝模型，开裂应力取为3.3MPa，开裂后采用线性软化的混凝土受拉本构，软化模量取为3000MPa。

4有限元计算结果和试验结果的对比

4.1 荷载位移关系的对比

图10和表2所示为采用非线性材料本构模型后的不同荷载步的中跨跨中荷载位移有限元计算结果和试验的对比。

(a) 荷载步1

(b) 荷载步2

(c) 荷载步3

(d) 荷载步4

(e) 荷载步5

(f) 荷载步6

(g) 荷载步7

(h) 荷载步8

(i) 荷载步9

(j) 荷载步10

(k) 荷载步11

图10 荷载－中跨跨中挠度变形的计算结果

与试验结果的对比

从图10可见，非线性有限元计算得到的荷载－位移关系在钢筋屈服前和试验吻合很好，由于计算模型未考虑钢筋－混凝土界面粘结滑移和非线性损伤累积，故计算得到的残余变形比试验值要小。由于钢筋屈服后的非线性行为明显，计算结果得到的残余变形因无法考虑钢筋混凝土累积损伤而比试验值小较多，但计算得到的屈服荷载和试验值基本一致。因此可以用有限元的计算结果来对桥梁模型进行更细致的分析。

4.2  混凝土应变

荷载－位移曲线的比较，可以作为整体行为效果的，而局部应变的比较，则可以进行更细致的分析。这里用混凝土应变来进行比较，对有限元的模拟效果进行评定（图11）。如图11a所示，当混凝土应变较小时（试验值仅为85µε），试验值与计算值相对误差较大；当继续加载时，混凝土应变得到较大发展，这时计算值和试验值吻合较好，两者相对误差较小。在经过荷载步5（中跨跨中不利工况）的严重超载后，模型桥产生了严重的损伤，虽然荷载—位移曲线仍吻合较好（图10f），但混凝土应变的计算值与试验值之间存在一个整体的偏移，卸载后试验值的残余应变要大于计算值。可见，有限元

表2  中跨跨中挠度有限元计算值和试验值

模拟局部应变的结果要稍差于模拟整体变形的结果。但这个差值在荷载步10之前只有几十个微应变，在可接受的范围（图11f~图11i）。

(a) 荷载步1

(b) 荷载步2

(c) 荷载步3

(d) 荷载步4

(e) 荷载步5

(f) 荷载步6

(g) 荷载步7

(h) 荷载步8

(i) 荷载步9

(j) 荷载步10

图11 中跨跨中梁顶混凝土弹塑性计算结果和试验的对比

5．结论

通过非线性有限元程序MSC.MARC，对试验进行了弹塑性分析，并对计算结果和试验结果进行了对比，得到以下结论：

1）弹塑性计算能够很好的反应结构的整体力学行为；

2）MSC.MARC用于桥梁的分析，能够考虑结构的损伤；

3）有限元计算结果可以用来分析材料的应变发展情况。

参考文献

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[6] 过镇海. 钢筋混凝土原理[M]. 清华大学出版社，1999

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