剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋空間應(yīng)力分析

高 明 高紅帥

(1.哈爾濱市市政道路橋梁工程設(shè)計所，黑龍江 哈爾濱 150000； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋空間應(yīng)力分析

高 明1高紅帥2

(1.哈爾濱市市政道路橋梁工程設(shè)計所，黑龍江 哈爾濱 150000； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

采用有限元分析軟件橋梁博士和ANSYS建立某剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋的平面桿系模型和空間實體模型，綜合考慮汽車荷載在縱橋向和橫橋向最不利的加載位置，通過對三種不同組合作用下的空間應(yīng)力進(jìn)行分析，指出空間實體模型分析剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋的應(yīng)力較符合實際情況。

剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋，空間應(yīng)力，平面桿系，空間實體

剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋是連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)橋的組合，通常是在一聯(lián)橋梁的中部數(shù)孔采用墩梁固結(jié)的剛構(gòu)，邊部數(shù)孔采用設(shè)置支座的連續(xù)結(jié)構(gòu)[1]。主要優(yōu)點是在大跨連續(xù)結(jié)構(gòu)中減少橋梁支座和養(yǎng)護(hù)的麻煩，減少橋墩和基礎(chǔ)的材料用量；同上墩梁固結(jié)有利于懸臂施工，避免了后期解除墩梁臨時固結(jié)增設(shè)支座的施工工序[2]；預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變和溫度變化引起的內(nèi)力可以通過橋墩的柔度來適應(yīng)。

目前國內(nèi)對連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)梁橋0號塊空間應(yīng)力的研究應(yīng)取得較多的研究成果[3，4]，但對于橋跨其他位置的空間應(yīng)力研究較少，對剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋空間應(yīng)力的研究更少。若要比較全面、準(zhǔn)確的研究這一問題，需要綜合考慮剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋箱形主梁頂板、底板和腹板的局部變形與整體變形的相互作用，頂板、底板的滯效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)幾何和材料非線性等因素的影響，采用三維空間實體有限元模型[5]進(jìn)行仿真分析。

本文以一座剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋為工程背景，分別建立平面桿系和空間實體有限元模型，綜合考慮活載縱向和橫向最不利的加載位置，分析在不同組合作用下平面模型和空間模型縱向應(yīng)力和主拉應(yīng)力計算值的差異，將平面模型計算值和空間模型計算值進(jìn)行對比，通過模型計算對剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋的空間應(yīng)力情況進(jìn)行研究。

1 工程概況

某高架橋結(jié)構(gòu)形式采用剛構(gòu)—連續(xù)組合體系，跨徑布置為35 m+60 m+90 m+60 m+35 m，中間三跨采用剛構(gòu)形式，兩側(cè)邊跨采用連續(xù)梁，總長為280 m，如圖1所示。橋面全寬12.0 m，橫向布置為10.5 m行車道+2×0.75 m防撞護(hù)欄。橋梁設(shè)計荷載采用公路—Ⅰ級。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，截面形式為單箱單室箱形截面，②號、③號主墩采用柔性雙薄壁墩。箱梁和主墩均采用C50混凝土，中跨跨中箱梁高度為2 m，主墩墩頂箱梁為5 m，主墩與中跨跨中之間的梁高按二次拋物線變化。

2 有限元模型

2.1 平面桿系模型

該橋邊跨連續(xù)梁部分采用支架法施工，而中間剛構(gòu)部分采用懸臂澆筑施工，平面桿系模型采用橋梁博士V3.3建立，劃分單元時可以將0號塊、1號塊、2號塊、3號塊……作為獨立單位，平面桿系模型采用掛籃單元來模擬懸臂施工階段，主墩和箱梁采取共用節(jié)點的方式模擬墩梁固結(jié)，全橋的平面桿系單元離散圖[6]如圖2所示。

2.2 空間實體模型

該橋的空間實體模型采用ANSYS建立。為分析該橋的空間效應(yīng)，采用空間實體單元模擬箱梁和薄壁墩。箱梁截面高度在縱向橋按二次拋物線變化，底板和腹板的厚度隨箱梁高度的變化也不盡相同，箱室內(nèi)部包括齒塊、橫隔板等局部構(gòu)件，空間幾何形狀比較復(fù)雜，若采用直接法建模，網(wǎng)格劃分后節(jié)點和單元數(shù)量繁多，坐標(biāo)復(fù)雜，不符合實際情況，所以本文采用K-V和K-L兩種方式相結(jié)合的由底向上的建模方法。在實體單元中，六面體單元在映射網(wǎng)格劃分方面操作方便，由于箱梁橫截面設(shè)置倒角，可以將箱梁頂板、底板、腹板和倒角處均劃分為四邊形，從而實現(xiàn)箱梁單元的組成部分都是六面體。橫向、豎向和縱向預(yù)應(yīng)力單元單獨劃分，形成獨立網(wǎng)格。預(yù)應(yīng)力和箱梁混凝土之間的連接通過節(jié)點自由點耦合實現(xiàn)，將預(yù)應(yīng)力鋼束的節(jié)點與鄰近混凝土六面體單元節(jié)點耦合起來，從而形成剛臂[7]。全橋?qū)嶓w及預(yù)應(yīng)力鋼束有限元模型，如圖3，圖4所示。

3 有限元模型應(yīng)力結(jié)果對比

3.1 最不利荷載位置分析

1)活載縱向最不利布載。彎矩和剪力最不利的位置在平面桿系有限元模型中可以很方便的得出，對于剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋，在正常使用極限狀態(tài)下，跨中截面一般是彎矩最不利的位置；支點截面一般是剪力最不利的位置[8]。彎矩和剪力均最不利的位置一般都不會相同，也就是說在彎矩最不利的位置，剪力可能很小，而在剪力最不利的位置，彎矩可能很小，因此除需找出彎矩、剪力單一效應(yīng)最不利的位置，還需找到剪力和彎矩組合最不利截面位置。綜合分析平面桿系有限元模型得出的彎矩包絡(luò)圖和剪力包絡(luò)圖，可知中跨跨中、中跨L/4跨、主墩支點、次邊跨跨中、邊跨跨中是活載縱向最不利的加載位置。

2)活載橫向最不利布載?；钶d在箱梁橫向作用位置不同所產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)也不相同，進(jìn)行活載布置時，可以按照箱梁橫向應(yīng)力影響線確定不利的布置方式，一般包括橫向?qū)ΨQ布載和偏心布載兩種特殊情況[9]，活載橫向具體布置圖如圖5所示。實際工程簡化分析中，只需考慮橫向按兩列車偏載情況，下文的分析結(jié)果是基于活載橫向偏心布置的。

3)荷載組合選擇。綜合考慮縱向和橫向最不利荷載的布置，具體工況和荷載組合見表1，其中組合2考慮中跨L/4跨剪力最不利情況，組合3考慮中跨跨中彎矩最不利情況。

表1 荷載組合

3.2 應(yīng)力結(jié)果對比

通過平面桿系模型和空間實體模型可以計算出三種組合作用下各典型截面頂板和底板的縱向應(yīng)力、主應(yīng)力及腹板的主應(yīng)力，計算結(jié)果見表2和表3，其中拉應(yīng)力為“+”，壓應(yīng)力為“-”。

通過表2和表3可以看出：

1)表2計算結(jié)果表明在三種組合作用下，縱向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，全橋縱向處于受壓狀態(tài)。平面桿系計算的縱向應(yīng)力在總體上小于空間實體的計算值，但兩者的變化趨勢保持一致。說明了利用平面桿系計算剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋的縱向應(yīng)力具有一定的保守性，在設(shè)計中采用平面桿系驗算縱向應(yīng)力偏于安全。

2)表3計算結(jié)果表明空間實體主拉應(yīng)力的計算值大于平面桿系的計算值，主要原因是空間模型可以考慮箱梁橋的橫隔板、倒角等局部應(yīng)力集中區(qū)域的空間效應(yīng)。在橋梁支座附近箱梁橫向結(jié)構(gòu)受到支座的約束，空間實體模型可以體現(xiàn)這種約束作用，平面桿系則不可以，空間實體采用的剛度矩陣大于平面桿系采用的剛度矩陣，從而導(dǎo)致空間實體主拉應(yīng)力的計算值大于平面桿系的計算值。

3)表2和表3中空間分析的結(jié)果顯示在組合2和組合3的作用下與組合1作用下的應(yīng)力計算值相差不大，說明汽車荷載與其他荷載組合和結(jié)構(gòu)在自重和預(yù)應(yīng)力荷載組合的應(yīng)力值接近，應(yīng)力分布在除自重和預(yù)應(yīng)力荷載外變化不顯著，自重和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布影響較大。

表2 縱向應(yīng)力結(jié)果對比 MPa

表3 主拉應(yīng)力結(jié)果對比 MPa

4)通過表3空間分析可知，在主墩附近截面底板的主拉應(yīng)力值較大，組合1作用下最大值就可達(dá)到4.43 MPa，而C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值為1.83 MPa，計算值是設(shè)計限值的2.4倍左右；平面桿系模型無法考慮底板的橫向應(yīng)力分布情況，用于設(shè)計時計算值偏小，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在該區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力超限現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生裂縫。

5)橋梁橫向應(yīng)力在平面桿系模型中無法體現(xiàn)，只有通過空間分析才能反映橫向應(yīng)力的分布情況。通過對三種組合作用下的空間應(yīng)力進(jìn)行分析，可知在箱梁頂板范圍內(nèi)橫向應(yīng)力效應(yīng)顯著；懸臂板部分和兩腹板之間的頂板部分應(yīng)力分布的差別較大。兩腹板之間的頂板部分應(yīng)力分布情況非常復(fù)雜，在縱橋向存在較大變化。

4 結(jié)語

本文以某35 m+60 m+90 m+60 m+35 m剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋為工程背景，建立平面桿系和空間實體有限元模型，對該橋的空間應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究，可以得到以下結(jié)論：

1)從邊跨至中跨關(guān)鍵截面，平面桿系和空間實體有限元模型縱向應(yīng)力計算值變化趨勢總體保持一致；空間實體模型考慮了各局部應(yīng)力區(qū)域，與平面桿系分析相比，主拉應(yīng)力計算值較大。

2)箱梁的橫向應(yīng)力效應(yīng)明顯，在箱梁頂板范圍內(nèi)，懸臂部分應(yīng)力分布較簡單，兩腹板間的頂板區(qū)域應(yīng)力分布復(fù)雜，沿縱橋向變化很大。

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Analysis on spatial stresses of rigid-frame-continuous combination bridge

Gao Ming1Gao Hongshuai2

(1.HarbinMunicipalRoadandBridgeEngineeringDesign,Harbin150000,China;2.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150000,China)

Plane frame model and spatial entity model of a rigid-frame-continuous combination bridge are established using finite element analysis software Dr. Bridge and ANSYS. Taking the most unfavorable loading positions of vehicle load in longitudinal and transverse direction into account through the analysis on space stress under three different combinations, it turned out that the stress of rigid-frame-continuous combination bridge accords with the real condition analyzed by spatial entity model.

rigid-frame-continuous combination bridge, spatial stress, plane frame, spatial entity

2015-01-07

高 明(1969- )，男，高級工程師； 高紅帥(1988- )，男，在讀博士

1009-6825(2015)08-0168-03

U441.5

A