某T形連續(xù)剛構橋0號塊局部應力空間分析

趙志國

(遼寧省交通規(guī)劃設計院，遼寧沈陽 110166)

1 工程概況

該橋是一座130 m+230 m+130 m的三跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋，橋梁全長為490 m。橋面全寬20.2 m，橋面橫坡為2%。中間主墩為寬12.6 m，高2.7 m雙薄壁墩，墩高47 m，樁采用直徑2 m鉆孔灌注樁群樁基礎。

本橋主梁為單箱雙室，頂板寬20.2 m，底板寬12.6 m，箱梁邊腹板在主墩范圍內厚度為1.05 m，跨中梁段腹板厚度為0.45 m，中腹板在主墩范圍內厚度為0.6 m，跨中梁段腹板厚度為0.45 m。箱梁根部梁高為14.8 m，跨中合龍段以及邊跨直線段梁高4.35 m，從箱梁根部到跨中段按1.75次拋物線變化。箱梁頂板除0號塊厚0.8 m，其余厚為0.4 m，箱梁底板厚度除0號塊厚2.2 m，其余箱梁底板厚度從根部截面2.2 m按1.75次拋物線變化到跨中截面0.38 m，薄壁墩墩頂設兩道橫隔板，厚0.6 m，兩道橫隔板間距為1.4 m，橫隔板中設人洞。

本橋主梁上部結構采用C60混凝土，主墩墩身為C50混凝土。縱向預應力采用φs15.2鋼絞線，分懸臂頂板束、腹板彎起束、邊中跨合龍連續(xù)束及現(xiàn)澆段彎起束四類，錨具采用群錨體系。豎向預應力束采用JL32精軋螺紋鋼筋，JLM螺母錨具，橫向預應力縱向預應力采用φs15.2鋼絞線?？v向預應力束除邊跨頂板連續(xù)束采用單端張拉外，其余均采用兩端張拉。

本橋設計荷載為公路—Ⅰ級，人群荷載為3.0 kN/m2，橋面鋪裝為8 cm瀝青混凝土鋪裝。

2 0號塊分析目的和方法

采用懸臂施工的大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋，因其施工技術經(jīng)濟合理，機械化程度高，加快了橋梁施工的進度，提高橋梁跨越能力。墩頂0號塊作為整個上部結構懸臂施工的起點與基礎，因其結構和受力復雜。施工工序環(huán)節(jié)多，施工條件變化較多，再加之0號塊具有梁體高、管道布置集中、鋼筋密集、懸臂高空作業(yè)及大方高強混凝土澆筑等因素，使得0號塊成為整個預應力混凝土連續(xù)鋼構的關鍵部位，由于其特殊的結構形狀和邊界條件，決定了它的應力是復雜的三維應力狀態(tài)。梁單元模型已不能準確得到0號塊的應力分析結果。根據(jù)圣維南原理:0號塊應力分布只與其附近區(qū)域應力狀態(tài)有關，而遠離0號塊區(qū)域的應力狀態(tài)對0號塊的影響比較小。所以只需取出0號塊，并考慮0號塊附近區(qū)域的作用，進行空間應力分析即可。本文的主要思路:首先采用Midas Civil有限元軟件建立全橋空間桿系模型，即可計算出0號塊截面在各種荷載組合下的內力值，將這些內力值轉化為空間分析模型上的面荷載和線荷載，然后再用Midas有限元軟件建立0號塊空間實體模型，即可分析出0號塊應力狀態(tài)。為保證計算結果足夠的精細度，0號塊空間模型包括0號塊本身及與之兩側相鄰的1，2號塊及部分墩身長度。

3 建立模型

3.1 計算模型

本橋取0號塊、與0號塊兩側相鄰1，2號塊及部分橋墩構成的空間實體作為分析對象(見圖1)。

圖1 所選局部結構示意圖

采用Midas有限元軟件建立空間有限元模型，計算模型見圖2。

3.2 荷載處理

懸澆過程中各階段的恒載、預加力、收縮徐變和施工荷載作用下，各工況的荷載效應可以按下面的步驟處理:首先采用Midas Civil有限元軟件建立的全橋空間桿系模型，提取1，2號塊各施工階段內力值(彎矩、剪力和軸力)，然后根據(jù)虛位移原理將截面的彎矩、剪力和軸力等效轉化為截面各單元表面的分布面力和線荷載。本次計算主要考慮以下兩荷載工況(見表1)，根據(jù)以往橋應力測試和設計經(jīng)驗，下面兩工況使得主梁受力最不利。

表1 荷載工況定義

根據(jù)上面組合，從空間桿系模型中提取1，2號塊兩端內力值見表2。

表2 1，2號塊兩端內力值表

將表2中1，2號塊內力值等效載到0號塊有限元模型，所有連接均按剛性連接處理，并定義荷載工況(見圖3)。

圖2 計算模型

圖3 荷載工況定義

4 計算結果分析

計算完成后，由于篇幅所限，以下僅給出部分正應力、主應力云圖(見圖4～圖7)(正值代表壓應力，負值代表拉應力)。

圖4 頂板正應力圖—工況一

圖5 頂板正應力圖—工況二

圖6 S1剖面主應力云圖—工況一

圖7 S3剖面主應力云圖—工況一

從兩個工況計算的0號塊應力云圖可以得到以下結論:

1)0號塊頂板在兩工況下應力均勻，應力分布合理，最大縱向壓應力出現(xiàn)在0號塊端部，由于此處為縱向預應力筋錨固處，引起錨下應力集中，最大值達16.4 MPa。進行預應力和普通鋼筋混凝土設計時應引起注意。0號塊頂板橫向上主要以壓應力為主，僅在端部中間位置出現(xiàn)－0.8 MPa拉應力，橫向壓應力呈現(xiàn)由翼緣邊緣向橋中心方向遞減分布。頂板除部分預應力錨固點處應力超限外，其他位置正應力和主應力均滿足規(guī)范要求。

2)0號塊腹板在兩工況下應力基本均勻，分布基本合理，腹板僅在內側與橫隔板相交區(qū)域內，縱向壓應力下降速率明顯，主要是橫隔板削弱部分截面。腹板最大主拉應力出現(xiàn)在腹板與頂板內側上腋部位，數(shù)值為0.84 MPa。在兩橫隔板之間靠近頂板的腹板內側區(qū)域，由于結構斷面變化，導致此處主壓應力變化明顯，但均未超過規(guī)范要求。

3)0號塊底板在兩工況下應力分布基本合理，上表面縱向最大應力為11.6 MPa，出現(xiàn)在底板與腹板倒角位置，下表面由于墩寬度影響，壓應力呈現(xiàn)不規(guī)則分布，變化范圍1.8 MPa～9.5 MPa，總體趨勢墩頂側數(shù)值偏大。底板與橫隔板及底板與腹板倒角位置處，由于截面變化均出現(xiàn)不規(guī)則的主拉應力，最大值出現(xiàn)在底板與橫隔板倒角位置，數(shù)值為－3.3 MPa。由于橫隔板約束作用，底板附近主拉應力較其他區(qū)域小，橋墩范圍底板主應力比其他位置小約1/4。

4)0號臺橫隔板內側應力分布均勻合理，頂、底和腹板縱向最大正應力均出現(xiàn)在和橫隔板關聯(lián)的位置，最大主拉應力出現(xiàn)在鋼束錨固點附近和底板下緣倒角處。外側由于人洞影響，在橫隔板頂面出現(xiàn)橫向拉應力，數(shù)值為－0.52 MPa。

5 結語

通過對本橋0號塊在兩工況下各位置應力分析，0號塊整體應力與全橋計算基本相符，也證明采用計算結果可靠性較高。在縱向預應力作用下箱梁截面受力均勻，橫向、豎向拉應力均滿足規(guī)范。頂板縱向壓應力在1.22 MPa～2.5 MPa之間，S1～S4剖斷面應力都小于0.9 MPa，均滿足規(guī)范要求。主應力計算結果顯示，除預應力錨固點、橫隔板等局部應力集中位置外，整梁應力分布合理，橫隔板最大主壓應力出現(xiàn)在橫隔板與地板、腹板結合區(qū)域，說明橫隔板橫向預應力對降低橫隔板拉應力有較大作用，橫隔板應力在人洞附近應力集中明顯。以上薄弱位置在普通鋼筋計算時應引起足夠重視，同時施工過程中，監(jiān)測單位也應對這些位置重點觀測，防止施工中出現(xiàn)破壞影響結構安全。

本橋0號塊采用Midas有限元軟件建立空間實體模型，建模過程簡潔，模型簡化處理簡單，計算結果合理。

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