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      基于有限元的混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段受力性能模擬分析

      2023-03-30 07:30:24譚小磊
      關(guān)鍵詞:剪力撓度箱梁

      譚小磊

      (中交一公局第四工程有限公司,廣西 南寧)

      引言

      大型跨接混凝土連續(xù)箱梁橋的加寬是高速公路擴容工程中最重要的環(huán)節(jié)。為了使原來的橋梁得到更大的擴展,在工程建設(shè)中往往會在已建成的老橋的兩邊建造類似的新型橋梁[1]。新橋和舊橋的聯(lián)系是由翼板完成的,二者的連接形成一個完整的橋梁體系[2]。為進一步促進這一施工方式的適應(yīng)性提升,以銅仁市沿河經(jīng)印江(木黃)至松桃高速公路為依托,針對該橋梁的拼寬施工,對拼接段的受力性能進行分析。

      1 工程概況

      以上述工程項目為依托,該項目重點是對混凝土連續(xù)箱梁拼接橋的拼接段進行施工。該工程擬建橋地點在沿河縣團結(jié)街道的東南方,與沿德高速連接,以完成本工程與沿德高速的交通轉(zhuǎn)換。該橋址位于貴州中部黔北山地高原南部,大婁山脈和武陵山脈的交界處,該地區(qū)的建設(shè)工程位于貴州平原到湘西山區(qū)與四川盆地的交界處,屬于武陵山脈的西北翼、大婁山脈的東南翼,整體上呈南北長、東西窄的帶狀,地勢起伏不定。該項目所在位置存在東南區(qū)域和西北區(qū)域地勢較高,而其他區(qū)域地勢相對較低的特殊結(jié)構(gòu),其中烏江山谷的地勢最低,項目覆蓋的所有區(qū)域均在烏江峽谷地勢結(jié)構(gòu)當中,烏江的水流很深,所以地形比較復(fù)雜。同時,通過進一步勘察得出,施工區(qū)域最高海拔達到1 324.2 m,最低海拔為325.24 m。互通區(qū)是揚子準地臺八面山褶皺帶武陵凹陷褶皺區(qū),新華夏系的次生沉降帶屬于新華夏系,其總體上是褶皺斷裂;構(gòu)造線多為NNE 和NE,少部分為NNW。斷裂以背斜的核部和側(cè)翼為主,斷裂的組合形態(tài)為束狀、階梯狀、地塹、地壘型等,多為壓力和壓扭作用所形成的正斷層,以及局部的逆向斷層。本橋座落在沿河縣團結(jié)街道東側(cè),擬建設(shè)橋位在貴州高原與湘西山區(qū)、四川盆地之間的一個坡度上。路線縱段較高,本橋最大橋高約36.45 m,最大墩身高度約為33.05 m,橋梁孔徑布置及橋長主要受兩岸地形控制。

      結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)、水文和場地條件等特點,從工程安全、施工可行、環(huán)保、經(jīng)濟、景觀等方面考慮,設(shè)計方案上部為5X20 m 的普通混凝土連續(xù)箱梁。根據(jù)橋面高度和橋跨的不同,橋墩下部為矩形墩身,橋臺為柱狀平臺,地基為樁基;在橋臺和分接頭部位,伸縮縫均為80 型;該橋全長100 m,不包括橋臺耳壁。橋梁的起始樁編號CK0+666.164、CK0+769.204、CK0+719.204。本橋平面分別在參數(shù)59.161 的左偏緩和曲線,右偏圓曲線為180 m??v向剖面在垂直凹型曲線上,i1=-4.000%,i2=2.698%(R=700.358)。橋面交角位置垂直,橋臺背壁前端連線、橋墩中心線以及橋面設(shè)計線之間的傾角均為90°。圖1 和圖2 分別為該項目中連續(xù)箱梁平面特征線示意圖和結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

      圖1 本文研究項目連續(xù)箱梁平面特征線示意圖

      圖2 本文研究項目連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)剖面示意圖

      針對上述工程概況,為實現(xiàn)對其拼接段受力性能的模擬與分析,下述將對其進行有限元模型的構(gòu)建。

      2 混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段受力性能數(shù)值模擬

      2.1 有限元模型建立

      結(jié)合上述工程概況,利用邁達斯建模軟件對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段進行有限元模型構(gòu)建。在邁達斯軟件中,利用圖3 所示的梁格法對模型進行網(wǎng)格劃分。

      圖3 梁格法模型網(wǎng)格劃分

      先將原結(jié)構(gòu)離散為等效梁格,再將其上的撓曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分別分配給相鄰的相鄰主梁,從而實現(xiàn)對原有結(jié)構(gòu)的縱向、橫向應(yīng)力模擬[3]。同時,在對梁進行分割時,各梁的剛度必須滿足在受到外載的情況下,在相同的面積上,梁的受力應(yīng)當大致相同的條件。任何一個板狀結(jié)構(gòu)單元在垂直方向上的扭力和扭力都是一樣的,而在梁格模式下,由于兩種結(jié)構(gòu)特征的差異,其正交方向的轉(zhuǎn)矩和扭力往往不一致。如果梁格切得足夠細,則梁的模型就會產(chǎn)生彎曲的彎曲,從而使其近似為等值[4]。因而,在梁的分割上,越細的劃分,其結(jié)果就越準確。梁格法在大部分斷面上仍能達到計算精度的要求。

      在完成上述操作后,邁達斯軟件自動生成混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段的有限元模型,如圖4 所示。

      圖4 混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段有限元模型

      對上述構(gòu)建的有限元模型,確定劃分方式,為后續(xù)計算每個構(gòu)件的受力特性提供依據(jù)。在構(gòu)建混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段有限元模型時,還需要將拼接橋各項材料特性對應(yīng)參數(shù)輸入到邁達斯軟件當中,包含參數(shù)如表1 所示。

      表1 拼接橋各項材料特性對應(yīng)參數(shù)記錄表

      針對不同的受力劃分不同,通常情況下在劃分梁格有限元模型時,每根主梁的中線都要盡可能地與其所處的腹板中線相一致,以便通過相鄰的梁格梁上的作用力來計算原始截面的受力。證梁格法計算時,各單元間的分段長度不能太大[5]。由于基坑周圍的內(nèi)力變化很大,因此在這里進行網(wǎng)格劃分時要進行加密。

      2.2 受力特性分析

      按照上述要求,完成對拼接段有限元模型的劃分后,針對拼接段縱向截面抗扭慣性矩的計算:

      式中,id表示拼接段縱向截面抗扭慣性矩;h 表示拼接段縱向截面高度;t1表示連續(xù)箱梁型截面頂部厚度;t2表示連續(xù)箱梁型截面底板厚度。再針對拼接段橫梁截面的受力特性進行計算。為了達到計算的精確性,橫梁的橫向分塊要求不大于主梁反彎點間隔的四分之一。在此基礎(chǔ)上,采用繞頂和底板的水平中軸線進行計算,其公式為:

      式中,i 表示拼接段橫梁截面的受力。由于橫截面剪力值的計算必須同時考慮縱向剪力的影響,而且薄壁箱梁的縱向剛度很低,在縱向剪力作用下,往往會引起箱形截面的扭轉(zhuǎn),從而影響到頂板、底板和腹板的尺寸,如圖5 所示。

      圖5 拼接段扭轉(zhuǎn)變形原理示意圖

      根據(jù)圖5 所示的拼接段扭轉(zhuǎn)變形原理,對其剪力情況進行計算,其公式為:

      式中,V 表示拼接段扭轉(zhuǎn)變形剪力;b 表示單位寬度橫向構(gòu)件等效剪切面積;Ev 表示抗彎剛度;tw表示反彎點位置數(shù)據(jù)。

      根據(jù)上述公式計算得出拼接段的剪力大小。通過上述計算,確定混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋在拼接段上的受力特性。

      3 實例分析

      根據(jù)上述論述思路,針對上述所述的拼寬橋建設(shè)項目,為實現(xiàn)對其受力性能的分析,基于上述計算公式,對拼接段在拼接前后有限元模型的撓度變化和應(yīng)力變化進行計算,并得出相應(yīng)的撓度偏載系數(shù)和應(yīng)力偏載系數(shù),前者可以通過拼接前后撓度差值與拼接前撓度的比值得出,后者可以通過拼接前后應(yīng)力差值與拼接前應(yīng)力的比值得出。先完成對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段在拼接前、鉸接后和剛接后撓度的計算,其計算結(jié)果記錄如表2 所示。

      表2 拼接段撓度計算結(jié)果記錄表

      從表2 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出,拼接前在拼接段上的撓度偏載系數(shù)為1.12,小于經(jīng)驗偏載系數(shù)1.15;拼接后由于拼寬橋整體剛度提升,因此無論是剛接還是鉸接,拼接段上的應(yīng)力均得到了一定程度的降低,并且撓度偏載系數(shù)也同樣減少,達到了1.04。因此,針對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋的撓度偏移系數(shù)可以適當降低,以此能夠達到節(jié)省施工材料的效果,同時建議在施工方案設(shè)計中按照偏載系數(shù)為1.12 進行計算,以此得到更加合理的施工方案。

      在針對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段拼接前、鉸接后和剛接后的應(yīng)力進行計算,并將計算結(jié)果記錄如表3 所示。

      表3 拼接段應(yīng)力計算結(jié)果記錄表

      從表3 中記錄的結(jié)果可以看出,拼接前與拼接后相比,縱梁應(yīng)力、最大應(yīng)力、平均應(yīng)力等參數(shù)數(shù)值均得到不同程度地提升。在拼接前拼接段的應(yīng)力偏載系數(shù)為1.14,未超過經(jīng)驗偏載系數(shù)1.15,而在進行拼接后,拼接段整體剛度提升,無論是采用剛接還是鉸接的方式,拼接段上的應(yīng)力均得到明顯降低,并且應(yīng)力偏載系數(shù)也均出現(xiàn)不同程度的降低,控制在了1.08~1.09范圍內(nèi)。因此,在進行對該混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段的施工方案設(shè)計時,可以將偏載系數(shù)1.15 作為拼寬橋新橋的應(yīng)力偏載系數(shù),以此能夠充分滿足該橋梁的承載能力要求,并且也能夠為橋梁安全提供一定儲備。

      4 結(jié)論

      通過本文上述論述,選擇以某高速公路建設(shè)項目作為依托,針對該工程項目中的拼寬橋結(jié)構(gòu),對該橋梁拼接段進行受力性能的分析。通過在邁達斯建模軟件中對拼接段的有限元模型構(gòu)建,并針對拼接段的撓度和應(yīng)力,可為施工方案的制定提供更可靠的依據(jù)。同時,在實際對拼接段受力性能進行分析時,不同跨度的偏載系數(shù)不同,邊跨的偏載系數(shù)通常大于中跨,因此說明汽車偏載效應(yīng)下的最不利位置在邊跨?;谶@一特點,在施工方案制定時應(yīng)當強化邊跨的承載力等力學(xué)性能,從而提升拼接段整體運行質(zhì)量。

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