混凝土連續(xù)梁橋人字形高橋墩分岔區(qū)橫梁局部應(yīng)力分析

張亮亮，楊建新，黃 瑜，王永杰

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045;2.澧縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖南常德 415500;3.重慶中海投資有限公司，重慶 408400;4.中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

為跨越溝壑、滿足線路標(biāo)高、節(jié)約墩身圬工量，某山區(qū)鐵路橋采用高139 m的人字形超高橋墩(圖1)。文獻(xiàn)［1-4］已對(duì)異型橋墩進(jìn)行了應(yīng)力狀況分析，但筆者研究的橋墩在下部岔區(qū)設(shè)有1根橫梁連接左右墩柱，橫梁為空心矩形混凝土梁，墩柱內(nèi)部為實(shí)體，岔區(qū)橫梁及其附近墩柱受力情況更為復(fù)雜［5-8］，因此有必要對(duì)橋墩分岔區(qū)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部空間應(yīng)力分析。為準(zhǔn)確獲取岔區(qū)橫梁及其附近墩柱在不同工況下的受力情況，了解該區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律，確保這種超高墩結(jié)構(gòu)安全、可靠，筆者采用ANSYS軟件對(duì)此區(qū)域進(jìn)行空間應(yīng)力分析。

1 工程概況

某山區(qū)鐵路橋主橋?yàn)閯倶?gòu)-連續(xù)組合梁，跨徑為(80+3×144+80)m。梁體采用單箱單室、變高度、變截面箱梁，箱梁寬11 m，橋墩處梁高11 m，跨中合龍段箱梁高6 m，其余梁段梁底下緣按二次拋物線變化。12～14號(hào)橋墩為人字形墩，采用墩梁固結(jié)法連接;13號(hào)橋墩上部65m為變截面矩形空心墩，然后經(jīng)過5m高實(shí)體橋墩進(jìn)入岔區(qū)，在岔區(qū)設(shè)置一根高5m、寬8m、壁厚1m的空心橫梁，在橫梁高度范圍墩柱內(nèi)部采用實(shí)心。

2 有限元模型

圖1 13號(hào)橋墩橫斷面示意圖Fig.1 Sketch map of cross section of bridge pier No.13

2.1 模型建立

鐵路橋全橋有限元模型如圖2所示，主梁采用BEAM189單元模擬，橋墩采用三維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID95模擬［9-10］。在墩梁節(jié)點(diǎn)連接處通過建立剛域來模擬主梁與橋墩的連接，球形支座處通過約束梁單元節(jié)點(diǎn)的橫向和豎向位移來模擬，墩底承臺(tái)設(shè)置為固結(jié)。

為準(zhǔn)確反映岔區(qū)橫梁及附近墩柱部分的應(yīng)力情況，筆者采用ANSYS軟件中的切割邊界方法［11］進(jìn)行岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)子模型的提取。切割邊界就是子模型從整個(gè)較粗糙的模型分割開的邊界，整體模型切割邊界的計(jì)算位移值即為子模型的邊界條件，然后對(duì)子模型進(jìn)行更密的網(wǎng)格劃分得到合理的分析結(jié)果，岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)有限元子模型如圖3所示。

2.2 荷載工況

按照TB10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》的要求選取橋墩應(yīng)力分析時(shí)外部荷載工況，如表1所示。

圖2 全橋有限元模型Fig.2 FEM model of whole bridge

表1 橋梁應(yīng)力分析荷載工況Table 1 Load conditions for stress analysis of bridge pier

圖3 岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)有限元子模型Fig.3 FEM sub-model of bifurcation region

3 岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)及橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在工況3荷載下，岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)主壓、主拉應(yīng)力云圖如圖4所示。圖4(a)中最大主壓應(yīng)力為7.57 MPa，位于墩柱內(nèi)實(shí)體與墩柱內(nèi)壁交接處;橫梁下部的主壓應(yīng)力最小，墩柱外側(cè)主壓應(yīng)力較大，最大值出現(xiàn)在橫梁和墩柱交界處。圖4(b)中最大主拉應(yīng)力為1.97 MPa，橫梁下部主拉應(yīng)力較大，墩柱主拉應(yīng)力較小，在墩柱范圍內(nèi)拉應(yīng)力值變化很小。其他3種工況下，橫梁處的應(yīng)力分布趨勢基本相同，只是最大值不同。

3.2 橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在工況3荷載作用下橫梁受力情況最不利，其應(yīng)力云圖如圖5所示。由于橋墩承受的自重和上部荷載主要通過墩柱傳遞，墩柱主壓應(yīng)力較大，而在墩柱內(nèi)部的實(shí)體部分主壓應(yīng)力較小。在橫梁與墩柱的交界處，由于構(gòu)造上的突變，產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。橫梁底部拉應(yīng)力較大，在墩柱內(nèi)部實(shí)體與內(nèi)壁的交界處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，數(shù)值為1.97 MPa。

圖4 岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)在工況3下的應(yīng)力云圖(單位:107 MPa)Fig.4 Stress distribution of bifurcation region in load case 3(units:107 MPa)

圖5 橫梁在工況3下的應(yīng)力云圖(單位:107MPa)Fig.5 Stress distribution of cross beam in load case 3(units:107 MPa)

通過分析4種工況下子模型的空間應(yīng)力，可得:(a)總體來看，子模型2個(gè)分岔的空心墩從橋墩的中心軸向外側(cè)受到的主壓應(yīng)力越來越大。(b)最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力分別為7.57 MPa和1.97 MPa。主壓應(yīng)力基本不超過5.73MPa，其僅在橫梁與墩柱壁內(nèi)、外表面的交界處因?yàn)閼?yīng)力集中而比較大。(c)在空心墩內(nèi)部的橫梁混凝土的主壓應(yīng)力水平很低，范圍為0.11～0.51MPa。最大主拉應(yīng)力為1.97 MPa，位于該處混凝土下表面，靠近墩柱內(nèi)壁處。結(jié)果表明，最大應(yīng)力均滿足規(guī)范規(guī)定，該鐵路橋下部岔區(qū)橫梁與墩柱的連接是安全、可靠的。

4 不同構(gòu)造形式橫梁下子模型的應(yīng)力分布

為了得到合理的橫梁構(gòu)造形式，分別設(shè)置不同的橫梁高度、寬度和壁厚，在工況3下分別計(jì)算子模型的應(yīng)力分布，如圖6所示。

圖6 橫梁構(gòu)造變化對(duì)應(yīng)力分布的影響Fig.6 Influence of different structures on stress of cross beam

結(jié)果表明，在橫梁寬度變化時(shí)，橫梁區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律變化很小(圖6(a))。改變橫梁寬度對(duì)下部節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力水平影響很小，但橫梁寬度取為8.0 m時(shí)，最大主拉應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)中間截面底緣縱向主拉應(yīng)力偏小，因此橫梁寬度為8.0 m時(shí)最合理。圖6(b)表明，隨著橫梁高度的增加應(yīng)力呈增大趨勢，且各種情況下的最大應(yīng)力水平都是安全的;當(dāng)橫梁高度變化到4.5 m時(shí)，子模型的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力最大，主壓應(yīng)力達(dá)到9.50 MPa，主拉應(yīng)力達(dá)到2.36 MPa。如果橫梁在橋墩豎向的位置不變，適當(dāng)減小橫梁高度對(duì)橫梁的受力是有利的。但橫梁高度的設(shè)置還要綜合考慮地震作用和橋墩的穩(wěn)定性，其尺寸不能太小。為了確保節(jié)點(diǎn)不成為地震作用下結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，建議采用橫梁高度為5.0 m。橫梁壁厚對(duì)于主應(yīng)力的影響不顯著，計(jì)算結(jié)果表明，壁厚1.0 m時(shí)最大主拉應(yīng)力最小。

5 人洞應(yīng)力集中分析

橫梁兩端的墩柱內(nèi)部為實(shí)體，其中心需要設(shè)置洞口并埋置檢查梯。為了得到合理的開洞方式，筆者分別計(jì)算了6種開洞方案下的應(yīng)力分布(方案1:80 cm×80 cm矩形洞口;方案2:80 cm×80 cm矩形洞口加10 cm×10 cm倒角;方案3:80 cm×80 cm矩形洞口加半徑15 cm圓弧倒角;方案4:80 cm×80 cm矩形洞口加15 cm×15 cm倒角;方案5:80 cm×80 cm矩形洞口加20 cm×20 cm倒角;方案6:直徑80 cm的圓形)，計(jì)算中荷載采用橋墩頂軸力最大時(shí)的荷載組合(工況2)。

因?yàn)?種開洞方案洞口附近都沒有出現(xiàn)主壓應(yīng)力集中現(xiàn)象［12］，因此只需要考慮洞口附近的主拉應(yīng)力分布情況。方案1～6的洞口附近混凝土的主拉應(yīng)力最大值依次為2.45 MPa，3.14 MPa，2.67 MPa，2.36 MPa，2.05 MPa，1.60 MPa。矩形人洞角點(diǎn)處附近的應(yīng)力集中相當(dāng)嚴(yán)重，在角點(diǎn)處設(shè)置倒角后結(jié)構(gòu)突變減弱，應(yīng)力集中現(xiàn)象也相應(yīng)減少;隨著倒角的增大，角點(diǎn)處的應(yīng)力分布更均勻，倒角的設(shè)置能有效減少應(yīng)力集中。設(shè)置圓形人洞時(shí)應(yīng)力分布更均勻，且應(yīng)力集中現(xiàn)象最弱，洞口附近主拉應(yīng)力值最小。

6 結(jié) 語

人字形橋梁岔區(qū)橫梁與墩柱連接處的空間受力特性復(fù)雜，簡化分析不能較詳細(xì)地把握其受力狀況，因此對(duì)其進(jìn)行空間應(yīng)力分析很必要。筆者通過分析某山區(qū)鐵路橋在各種工況下該區(qū)域的應(yīng)力分布狀況，發(fā)現(xiàn)岔區(qū)節(jié)點(diǎn)區(qū)最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力均小于規(guī)范限值;通過比較不同構(gòu)造形式橫梁下的空間應(yīng)力，認(rèn)為橫梁寬8.0 m、高5.0 m、壁厚1.0 m時(shí)的應(yīng)力分布比較合理;通過對(duì)比不同人洞開洞方案下的洞口角點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，得出圓形人洞可以有效減小洞口的應(yīng)力集中的結(jié)論。

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