連續(xù)剛構橋墩高敏感性分析

蘇 佩,錢若霖,鄔曉光

(長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

連續(xù)剛構橋墩高敏感性分析

蘇 佩,錢若霖,鄔曉光

(長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

以某連續(xù)剛構橋為例,取三組左墩高度,同時左墩與右墩之比(墩高比)分別取為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0六組比值,共計18種不同墩高模型.采用Midas Civil程序進行計算,在成橋狀態(tài)下考慮結構上可能同時出現的作用,按承載能力極限狀態(tài)進行作用效應組合,對結構的靜力特性進行計算.對靜力特性結果進行分析,得出一般性規(guī)律,并通過計算分析得到使得整個橋梁結構受力有利的墩高范圍.

連續(xù)剛構;墩高;墩高比

連續(xù)剛構橋兼具連續(xù)梁橋與T形剛構橋的受力特點,其結構整體性強、受力合理、外形簡潔美觀、具有良好的行車條件和抗震性能,同時其造價較低、施工方法成熟、具有較大的跨越能力,對地形、地質條件適應性較好.因此在實際工程中獲得了廣泛的應用[1].對于連續(xù)剛構橋,大量文獻對其養(yǎng)護[2]、加固設計[3]進行了研究,當連續(xù)剛構橋梁所處的位置受水文地形等多種因素的影響時,主墩的等高設計會使得施工難度增加,既不經濟又不合理.

關于連續(xù)剛構設計參數優(yōu)化的問題,張孟喜等人通過有限元分析對某雙薄壁連續(xù)剛構橋進行變設計參數分析,建立了主梁跨徑、墩高、雙肢間距與壁厚之間的函數關系[4].譚平榮等人通過分析雙片墩在溫度作用下的不同效應,給出確定墩身合理尺寸的方法[5].董曉梅基于ANSYS的優(yōu)化模塊,對雙肢薄壁空心墩墩身截面尺寸進行優(yōu)化[6].

目前對該類橋型優(yōu)化的研究大多集中在主梁設計參數,對橋梁下部結構的分析較少.本文擬以某連續(xù)剛構橋為例,對一座連續(xù)剛構橋梁基于不同墩高進行橋梁靜力特性的研究分析.

1 工程概況及有限元模型

某連續(xù)剛構橋跨布置為(55+100+55)m,是一座3跨變截面預應力混凝土連續(xù)剛構橋,橫斷面為單箱單室箱梁,頂板寬12.5 m,底板寬6.5 m,翼緣寬3 m,其典型橫斷面如圖1所示.主跨墩頂梁高6.5 m,跨中以及邊跨直線段梁高2.5 m,梁高變化規(guī)律為2次拋物線.主墩墩頂與箱梁固結,支座型號為GPZ(Ⅱ)6.0型.

圖1 箱梁斷面圖(單位:cm)Fig.1 Cross-section diagram of box beam(unit:cm)

主梁、橋墩均采用空間梁單元模擬,將橋面鋪裝及橫隔板以載荷形式加載于梁單元上,并將其轉換為質量.主橋墩樁基完全在巖層中,屬于剛性基礎,因此墩底約束采用固結,不考慮樁-土-結構相互作用.主墩與主梁剛性連接,橋臺支座按縱橋向活動的彈性連接模擬.

以原橋設計模型作為基準有限元,基準墩高為98 m.全橋離散為98個單元,160個節(jié)點.全橋空間有限元模型如圖2所示.

圖2全橋空間有限元模型圖
Fig.2 Full-bridge spatial finite element model

為考慮不同墩高對連續(xù)剛構橋的受力影響,首先假定橋梁下部左墩高度固定不變,而將右墩取不同的值,形成不同的墩高比.接著調整左墩的高度,以此為基準再次調整右墩高度,形成新的墩高比.現取左墩墩高為98、78、58 m,右墩高與左墩高之比(墩高比)及右墩高如表1～表3所示.

表1 左墩為98 m時,右墩高度Table 1 Height of right pier when left pier is 98 m

表2 左墩為78 m時,右墩高度Table 2 Height of right pier when left pier is 78 m

表3 左墩為58 m時,右墩高度Table 3 Height of right pier when left pier is 58 m

2 靜力特性

按照上文假定的不同墩高分別進行有限元建模[7],共計18個有限元模型.采用Midas Civil程序進行計算,在成橋狀態(tài)下考慮結構上可能同時出現的作用(結構重力、預加力、混凝土收縮徐變作用、基礎變位作用、汽車載荷、溫度作用等),按承載能力極限狀態(tài)進行作用效應組合,對結構的靜力特性進行計算[8].

2.1橋墩順橋向彎矩

對高墩墩頂底彎矩、低墩墩頂底彎矩在順橋向上進行計算[9-10],現將不同墩高比條件下的彎矩計算結果列舉如圖3所示.

(1) 在左墩高度固定時,隨著墩高比的增加,高墩墩頂彎矩呈1次函數減小,低墩墩頂彎矩呈1次函數增加;同時,隨著左墩高度的增大,高墩墩頂彎矩減小趨勢略微平緩,低墩墩頂彎矩減小趨勢略微增大;高墩高度越大,高墩墩頂彎矩的變化量亦越大,低墩彎矩的變化量穩(wěn)定.

圖3 橋墩彎矩Fig.3 Bending moment of pier(a)—高墩墩頂彎矩;(b)—低墩墩頂彎矩;(c)—高墩墩底彎矩;(d)—低墩墩底彎矩.

(2) 在左墩高度固定為78、98 m,墩高比值為0.75附近時,高墩墩底負彎矩最小;而左墩高度為58 m時,隨著墩高比的增大,高墩墩底負彎矩隨之減小,最終趨于穩(wěn)定.

(3) 在左墩高度固定為78、98 m時,隨著墩高比的增大,高墩墩底負彎矩隨之增大;而左墩高度為58 m時,在墩高比值為0.75附近時的低墩墩底負彎矩最大.

2.2主梁順橋向彎矩

現對邊跨正彎矩、中跨跨中彎矩在順橋向上進行計算,將不同墩高比條件下的彎矩計算結果列舉如圖4所示.

圖4主梁彎矩
Fig.4 Bending moment of main beam
(a)—邊跨正彎矩;(b)—中跨跨中彎矩;(c)—邊跨根部彎矩.

(1) 邊跨最大正彎矩隨著墩高比的增大而增大,且左墩墩高越大,其增大量越大.

(2) 在左墩高度不同時,中跨跨中彎矩逐漸增大;墩高比為1.0時,中跨跨中彎矩最大.

(3) 左墩高度為58 m時,隨著墩高比的增大,邊跨根部負彎矩增大;左墩高度為78、98 m時,隨著墩高比的增大,邊跨根部負彎矩呈減小趨勢.

2.3墩頂位移

現對高墩及低墩墩頂順橋向位移進行計算,不同墩高比條件下的位移計算結果列舉如圖5所示.

圖5 橋墩墩頂位移Fig.5 Top displacement of bridge pier(a)—低墩墩頂順橋向位移;(b)—高墩墩頂順橋向位移.

由圖5可知:左墩高度固定時,低墩墩頂順橋向位移隨墩高比的增大而增大,并且在墩高比為1.0時增大量最大;高墩墩頂順橋向位移則呈1次函數減小.

3 自振特性[11-12]

現對不同墩高情況下結構一階自振頻率進行計算,將不同墩高比條件下的頻率計算結果[13-14]列舉如圖6所示.

由圖6分析可知:隨著左墩墩高的增加,結構一階自振頻率呈1次線性減小;左墩高固定,隨著墩高比的增大,結構一階自振頻率呈1次線性減小.同時,左右墩高度越接近,結構一階自振頻率越小.

圖6不同墩高下的結構一階自振頻率
Fig.6 First-order natural frequency of vibration of different pier height

4 結 論

(1) 墩高比的變化對于低墩墩頂彎矩的影響最大,引起的彎矩變化值最大達60%,對于高墩墩底彎矩的影響尤其小,引起的彎矩變化值在10%以內,而對于高墩墩頂及低墩墩底則影響較為平緩.

用上文所述方法分析得左墩高度為67.5 m,墩高比為0.75時,高墩墩底負彎矩最小,高墩墩頂、低墩墩頂及墩底彎矩均呈一次函數變化,為穩(wěn)定值.因此使得本文涉及到的連續(xù)剛構橋結構受力最有利的墩高比為0.75.

(2) 相比于主墩受力的影響,墩高比的變化對于主梁受力的影響則較小.對于中跨跨中及邊跨根部彎矩,其引起的變化值在1%之內,而引起邊跨正彎矩的變化值則在5%以內.

左墩高度為62 m時,邊跨根部負彎矩(即最大負彎矩)為固定值,不隨墩高比變化而變化.因此可得邊跨根部負彎矩最小值的左墩高度為62 m.

(3) 墩高越小,其引起的墩頂位移越小,并且墩高及墩高比的變化對低墩墩頂位移影響差異較大,而高墩墩頂位移的變化則較為穩(wěn)定.

(4) 針對本文涉及到的連續(xù)剛構橋形式,墩高比為0.75時對結構受力最為有利.對一側墩高的取值按照地形條件及相關資料確定.若其余限制情況較少,則以低墩墩頂彎矩作為計算依據確定合適的墩高比進行橋梁設計.

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SensitivityofContinuousRigidFrameBridge

SuPei,QianRuolin,WuXiaoguang

(School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

Taking a continuous rigid frame bridge as an example,three sets of left pier height were taken,and six groups of ratio on height of pier were taken as 0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,sum to a total of 18 different pier height models.The Midas Civil program was used to calculate the static characteristics of the structure in the form of a bridge,taking into account the possible simultaneous effects of the structure and the effect of the load capacity limit.The results of static characteristics were analyzed,and the general rule was obtained.Through calculation and analysis,the pier height range is obtained,which makes the whole bridge structure more favorable.

continuous rigid structure;height of pier;ratio on height of pier

2017-05-14

陜西省交通廳科技資助項目(13-25k)

蘇 佩(1993-),女,陜西蒲城人,長安大學碩士研究生;鄔曉光(1961-),男,湖北英山人,長安大學教授,博士生導師.

2095-5456(2017)05-0405-05

U 443.2

A

【責任編輯:趙炬】