大跨徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊局部應(yīng)力分析

陳金龍

（湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410075）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋是工程建設(shè)中的一種常用橋型。由于采用了墩梁固結(jié)措施，避免了在中墩位置設(shè)置大型支座，施工中不用設(shè)置臨時固結(jié)構(gòu)造，節(jié)約工程費(fèi)用，同時改善了橋梁的受力性能，在公路建設(shè)中，尤其在山區(qū)公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。

曲線連續(xù)剛構(gòu)的0#塊空間構(gòu)造復(fù)雜。在該位置有頂板、腹板、底板的厚度變化，還設(shè)置有橫隔板、過人孔和各種形式的倒角，同時該位置還布置有大量的預(yù)應(yīng)力鋼束，且橋梁平面位于曲線上，空間扭矩較大，導(dǎo)致該位置的構(gòu)造和受力都十分復(fù)雜[2][3]。對于此類橋梁一般設(shè)計(jì)中使用的常規(guī)桿系有限元計(jì)算方法能夠得到結(jié)構(gòu)的整體受力趨勢，但由于0#塊位置的構(gòu)造和受力均十分復(fù)雜，一般的干系計(jì)算方法無法反應(yīng)其空間應(yīng)力分布情況。因此，有必要對該位置進(jìn)行細(xì)致的實(shí)體空間有限元分析，得出該區(qū)域的真是應(yīng)力分布情況，為設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

1 橋梁概況

本文算例為某高速公路一大跨徑曲線剛構(gòu)橋，橋梁跨徑布置為（85+150+85）m，兩橋墩高度分別為21 m和26 m。橋梁位于道路圓曲線上，曲線半徑為850 m，分幅布置。單幅箱梁頂寬12 m，底寬6.5 m，墩頂梁高8.8 m，跨中梁高3.5 m,梁高按二次拋物線變化。圖1為橋梁總體布置圖，圖2為0#塊主要尺寸圖。

圖1 橋梁總體布置圖

圖2 0#塊主要尺寸圖

根據(jù)對一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部應(yīng)力分析的程序，先采用橋梁專業(yè)軟件MIDAS Civil建立全橋空間桿系模型。經(jīng)過全橋整體分析得到橋梁結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的內(nèi)力分布，再根據(jù)圣維南原理選取橋梁0#塊及其附近區(qū)域結(jié)構(gòu)建立實(shí)體有限元模型。將整體計(jì)算得到的內(nèi)力施加于實(shí)體有限元模型進(jìn)行空間分析，得到所關(guān)心區(qū)域的空間應(yīng)力分布情況。

2 MIDAS空間桿系有限元模型

為得到實(shí)體分析所需施加的荷載，先需對橋梁進(jìn)行整體空間分析。分析模型按照曲線實(shí)際情況布置，采用空間梁單元模擬，模型包含165個節(jié)點(diǎn)，158個單元。主墩在墩底位置固結(jié)，邊墩位置按實(shí)際支座布置情況模擬。模型對施工過程進(jìn)行了模擬（見圖3），荷載中自重程序自動計(jì)入，二期恒載豎向力按照均布荷載施加并考慮恒載偏心產(chǎn)生的扭矩，預(yù)應(yīng)力荷載按照施工圖進(jìn)行考慮，按規(guī)范對收縮、徐變、溫度荷載、風(fēng)荷載、離心力和制動力等荷載進(jìn)行取值，通過在模型中的實(shí)際位置建立車道線實(shí)現(xiàn)車道荷載自動加載。

圖3 全橋空間桿系有限元模型

3 0#塊三維實(shí)體有限元模型

0#塊的局部應(yīng)力分析基于ANSYS平臺進(jìn)行，采用SOLID95單元模擬梁段中的混凝土，采用LINK8單元模擬在實(shí)體模型中錨固的預(yù)應(yīng)力鋼束（見圖 4、圖 5）。

圖4 0#塊實(shí)體模型

圖5 0#塊有限元模型

建立實(shí)體模型時，為了較好地模擬墩梁固結(jié)處邊界條件，將承臺以上的橋墩部分一并建出。主梁的部分除0#塊外還包括了兩側(cè)的1#塊，以防止施加荷載時的應(yīng)力集中而引起0#塊應(yīng)力失真，嚴(yán)格按施工圖中的尺寸將0#塊節(jié)段模型中的倒角等細(xì)節(jié)建出。整個模型共劃分為34 560個單元，包含58 478個節(jié)點(diǎn)。由于主要為考察0#梁段的應(yīng)力分布，劃分單元時，梁部分尺寸控制在0.5 m以內(nèi)，墩部分控制在1.5 m以內(nèi)。

坐標(biāo)方向：X軸方向：順橋向；Z軸方向：向上；Y軸方向：橋曲線外側(cè)（內(nèi)側(cè)向心）。

4 荷載工況及施加方式

經(jīng)全橋整體梁單元模型計(jì)算結(jié)果比較，該橋的上部結(jié)構(gòu)基本對稱，兩個0#塊處的內(nèi)力分布情況也十分接近，本文僅對26 m高墩處0#塊進(jìn)行分析。

通過對整體計(jì)算模型結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，選取以下最不利的4種荷載工況進(jìn)行實(shí)體分析，其中：

工況1——最大懸臂狀態(tài)（張拉19#梁段）；

工況2——成橋階段標(biāo)準(zhǔn)組合軸力最大；

工況3——成橋階段標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩最大；

工況4——成橋階段標(biāo)準(zhǔn)組合扭矩最大。

預(yù)應(yīng)力荷載中在0#及1#梁段錨固的預(yù)應(yīng)力鋼束按照實(shí)際鋼束線型采用LINK8單元模擬，通過降溫實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模擬，降溫過程考慮了預(yù)應(yīng)力各階段各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失。梁段邊界上施加從MIDAS/CIVIL整體模型中得到的相應(yīng)工況內(nèi)力。其中，軸力和Y方向的剪力分布到邊界面上的各個節(jié)點(diǎn)，Z方向的剪力按照應(yīng)力分布規(guī)律分布到邊界腹板的各個節(jié)點(diǎn)，彎矩和扭矩均按照靜力等效原則換算為作用在頂?shù)装搴透拱宓木剂Α?/p>

5 結(jié)果分析

上述4種荷載工況作用下經(jīng)實(shí)體模型計(jì)算得到的0#塊的應(yīng)力分布情況如表1所列。

由分析結(jié)果可知，4種工況作用下的總體受力趨勢接近。為避免重復(fù)，文中僅對工況1作用下的應(yīng)力云圖進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖6為X方向應(yīng)力分布圖。

X向應(yīng)力的分布情況為：頂板以受壓為主，應(yīng)力區(qū)間為-15.1~-8.66 MPa；底板以受壓為主，應(yīng)力區(qū)間為-11.9~-2.25 MPa，在泄水孔處的局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，有輕微拉應(yīng)力出現(xiàn)；腹板以受壓為主，應(yīng)力區(qū)間為-15.1~-2.25 MPa；橫隔板主要受為較小的拉應(yīng)力，應(yīng)力值約為0.95 MPa；最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂板與橫隔板倒角相交位置；最小應(yīng)力出現(xiàn)在頂板外側(cè)與橫隔板相交處。

表1 0#塊應(yīng)力分析結(jié)果一覽表

圖6 X方向應(yīng)力分布圖

圖7為Y方向應(yīng)力分布圖。

圖7 Y方向應(yīng)力分布圖

Y向應(yīng)力的分布情況為：頂板應(yīng)力拉壓均有出現(xiàn)，應(yīng)力區(qū)間為-2.98~2.15 MPa；底板應(yīng)力拉壓均有出現(xiàn)，應(yīng)力區(qū)間為-2.88~0.466 MPa，在泄水孔處的局部出現(xiàn)應(yīng)力集中；腹板以受拉為主，應(yīng)力值0.466 MPa；橫隔板主要受拉，應(yīng)力區(qū)間為0.466~2.30 MPa；最大應(yīng)力和最小應(yīng)力均出現(xiàn)在底板的泄水孔處。

圖8為Z方向應(yīng)力分布圖。

圖8 Z方向應(yīng)力分布圖

Z向應(yīng)力的分布情況為：頂板應(yīng)力拉壓均有出現(xiàn)，應(yīng)力區(qū)間為-0.989~0.937 MPa；底板應(yīng)力拉壓均有出現(xiàn)，應(yīng)力區(qū)間為-2.91~-0.936 MPa；腹板以受壓為主，應(yīng)力區(qū)間為-1.95~-0.26 MPa；橫隔板應(yīng)力拉壓均有出現(xiàn)，應(yīng)力區(qū)間為-5.7~-0.98 MPa；最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫隔板與底板倒角處，最小應(yīng)力出現(xiàn)在頂板外側(cè)與橫隔板相交處。

圖9為σ1應(yīng)力分布圖。

圖9 σ1應(yīng)力分布圖

σ1應(yīng)力的分布情況為：頂板應(yīng)力區(qū)間為-2.03~-0.579 MPa；底板應(yīng)力區(qū)間為-1.45~-1.16 MPa；腹板應(yīng)力區(qū)間為-0.59~0.29 MPa；橫隔板應(yīng)力區(qū)間為1.16~2.37 MPa；最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂板與橫隔板倒角處，最小應(yīng)力出現(xiàn)在底板泄水孔處。

圖10為σ3應(yīng)力分布圖。

圖10 σ3應(yīng)力分布圖

σ3應(yīng)力的分布情況為：頂板應(yīng)力區(qū)間為-15.9~-6.82 MPa；底板應(yīng)力區(qū)間為-9.8~-7.7 MPa；腹板應(yīng)力區(qū)間為-12.9~-3.8 MPa；橫隔板應(yīng)力為0~2.24 MPa；最小應(yīng)力出現(xiàn)在頂板外側(cè)向橫隔板倒角處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂板與橫隔板外側(cè)相交處。

6 分析結(jié)論

經(jīng)分析可知：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)的恒載對0#塊的空間應(yīng)力分布和大小起決定作用，其他荷載引起的應(yīng)力變化不大，與一般大跨度橋梁受力趨勢吻合。

（2）實(shí)體模型計(jì)算的0#塊空間應(yīng)力水平與全橋整體計(jì)算分析結(jié)果接近，應(yīng)力水平大多處于規(guī)范限值范圍之內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)受力安全，尺寸基本合理。

（3）在橫隔板倒角與周邊箱梁體接觸的局部范圍內(nèi)、墩梁固結(jié)處、底板開孔處等，由于應(yīng)力集中效應(yīng)存在，出現(xiàn)了較大的拉壓應(yīng)力。但這些較大的拉壓應(yīng)力均在很小的范圍出現(xiàn)，未形成大的應(yīng)力區(qū)域。考慮到橫隔板本身是普通鋼筋混凝土構(gòu)件，局部區(qū)域出現(xiàn)較大的拉壓應(yīng)力不可避免，但是在配筋設(shè)計(jì)時建議中對這些區(qū)域予以重視、加強(qiáng)。