斜交框構(gòu)橋開裂的有限元分析

趙文婷

鋼筋混凝土斜交框構(gòu)橋以其既經(jīng)濟(jì)又美觀的特點(diǎn),越來(lái)越多地得到了應(yīng)用。但因設(shè)計(jì)和施工等方面的原因,一些斜交框構(gòu)橋出現(xiàn)了板體開裂現(xiàn)象,這使得鋼筋混凝土框構(gòu)橋的耐久性出現(xiàn)了很大差異,即使不是由于裂縫本身的原因,在框構(gòu)頂板耐壓性減少的情況下,也會(huì)由于裂縫使鋼筋外露而易銹蝕,或由于雨水或融凍使混凝土受侵蝕,從而使鋼筋混凝土斜框構(gòu)橋受到損害。因此,在設(shè)計(jì)中,如何使得混凝土不產(chǎn)生有害的裂縫是個(gè)重要的問(wèn)題。

目前相關(guān)文獻(xiàn)及論文中對(duì)于裂縫產(chǎn)生的原因有多種說(shuō)法。一般來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因主要是結(jié)構(gòu)配筋不足、彎曲應(yīng)力過(guò)大、混凝土收縮、溫度影響和施工等因素綜合形成的。其中,更主要的原因是斜交框構(gòu)橋各板塊不同部位受力不均引起的,所以,應(yīng)分析框構(gòu)橋各板塊受力特點(diǎn),根據(jù)其受力大小進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋是減少有害裂縫產(chǎn)生的重要措施之一。本文結(jié)合盤營(yíng)客專公鐵立交項(xiàng)目中某個(gè)工點(diǎn)框構(gòu)橋,采用有限元分析軟件SAP對(duì)框構(gòu)橋進(jìn)行三維整體建模分析,得到了框構(gòu)橋不同部位的受力特點(diǎn),并提出了對(duì)應(yīng)于受力特點(diǎn)的配筋建議。

1 有限元建模

本框構(gòu)橋位于京九線上,框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)形式為:1-19 m斜交10°,框構(gòu)橋的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 框構(gòu)幾何參數(shù) m

根據(jù)框構(gòu)橋的構(gòu)件長(zhǎng)寬比知,該類橋?qū)儆诎鍤ゎ惤Y(jié)構(gòu),故在SAP建模時(shí),選用板殼單元來(lái)模擬?？驑?gòu)橋位于鐵路路基中,底板以下為彈性地基,考慮到需保證鐵路正常運(yùn)行,只允許框構(gòu)在豎向產(chǎn)生微小位移,有限元建模時(shí)對(duì)框構(gòu)約束豎向位移,兩側(cè)墻外為路基,考慮到路基無(wú)限長(zhǎng),有限元建模時(shí)對(duì)框構(gòu)約束鐵路路線方向位移及繞重力方向的轉(zhuǎn)動(dòng),約束施加在底板與兩側(cè)墻相交的節(jié)點(diǎn)上,底板其他節(jié)點(diǎn)施加剛度較大的地基彈簧。材料的彈性模量、泊松比的取值如表2所示,有限元建模時(shí)參數(shù)選取見(jiàn)表2。

表2 框構(gòu)主要計(jì)算參數(shù)

框構(gòu)兩側(cè)墻承受對(duì)稱的土壓力,土壓力從頂板到底板遞加,頂板承受路基填土、道砟、鐵軌、枕木等恒載,以及鐵路中活載作用。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖1所示。

2 框構(gòu)受力特點(diǎn)分析

對(duì)建好的模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算,得到計(jì)算結(jié)果的剪力圖及彎矩圖,如圖2,圖 3所示。

由圖2可以看出,框構(gòu)頂板的剪力分布特點(diǎn)為:最大剪力分布在頂板兩鈍角角隅處,最小剪力分布在頂板中心處,從中心線往頂板兩側(cè),剪力越來(lái)越大。

由圖3可以看出,框構(gòu)頂板彎矩分布特點(diǎn)為:

最大彎矩發(fā)生在頂板中心線處,且框構(gòu)內(nèi)側(cè)受彎,從中心線往兩側(cè),彎矩越來(lái)越小;側(cè)墻彎矩分布特點(diǎn)為:側(cè)墻頂與側(cè)墻底外側(cè)受彎,側(cè)墻中心線內(nèi)側(cè)受彎。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)大量文獻(xiàn)的參考,以及本文對(duì)斜交框構(gòu)的有限元分析計(jì)算,得出了斜交框構(gòu)的受力特點(diǎn)。根據(jù)框構(gòu)橋受力特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行局部配筋加強(qiáng),可以防止結(jié)構(gòu)由于局部過(guò)早產(chǎn)生裂縫,影響結(jié)構(gòu)整體的受力,從而延長(zhǎng)框構(gòu)橋的耐久性。通過(guò)本文的分析計(jì)算,提出如下建議:1)根據(jù)頂板剪力分布特點(diǎn),頂板兩鈍角角隅處應(yīng)進(jìn)行局部配筋加強(qiáng);且頂板兩側(cè)也應(yīng)進(jìn)行局部抗剪配筋加強(qiáng);2)根據(jù)彎矩受力特點(diǎn),頂板應(yīng)在中心線處且頂板底進(jìn)行受彎主筋加強(qiáng);3)根據(jù)彎矩受力特點(diǎn),側(cè)墻頂與側(cè)墻底外側(cè)進(jìn)行抗彎主筋加強(qiáng);而側(cè)墻中部應(yīng)對(duì)內(nèi)側(cè)進(jìn)行抗彎主筋加強(qiáng)。

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