某立交橋岔口異形結構空間力學特性分析

岳衛(wèi)東

(重慶市市政設計研究院，重慶 400020)

互通式立交中，在匝道端部要進行變速、分流、合流等復雜的駕駛操作，為了保持車流順利而迅速地通過交叉口，往往要修建幾何形狀不規(guī)則的異形箱梁。異形箱梁結構復雜，結構空間效應顯著，具有彎梁橋彎扭耦合的特征，分叉橋上車行路線各異，荷載作用的相互影響造成端部各支座橫向受力不均，甚至出現(xiàn)超載和脫空現(xiàn)象。當前主要采用梁格法對這種結構進行分析，等效梁格的計算精度與網(wǎng)格的密度有關，網(wǎng)格劃分越密，計算精度越高，但計算的前處理和后處理的工作量相應加大，同時梁格法不能考慮剪力滯以及扭轉產(chǎn)生的截面翹曲。因此為了精確的分析異形箱梁的空間力學特征，三維仿真分析十分必要。

1 工程概況

某立交橋梁轉彎半徑小(最小半徑為30 m)、坡度大(最大坡度為5.9%)、道路線形復雜，由此產(chǎn)生大量的異形結構(異形結構面積占整個橋梁面積的40%以上)。選取具有代表性的D線匝道第2～4跨聯(lián)進行空間實體分析，此聯(lián)為一分叉兩跨連續(xù)異形梁，橋長(29.712+29.711)m，異形梁分叉前為單箱多室截面，分叉后為單箱單室截面，箱梁高為1.7 m，翼緣懸臂長2.5 m，混凝土采用C50，設計荷載城－A級，其橫斷面、平面布置如圖1～2所示，圖中長度單位為mm。

2 模型建立及荷載工況描述

2.1 梁格模型概述

剪力柔性梁格法的基本原理是:用一個等效網(wǎng)格來模擬上部結構，即假定把上部結構中每一網(wǎng)格內(nèi)的抗彎和抗扭剛度集中到最鄰近的等效網(wǎng)格內(nèi);縱向剛度集中到縱向構件內(nèi)，橫向剛度集中到橫向構件內(nèi)，當結構原型和等效網(wǎng)格承受相同荷載時，它們的撓曲變形相等，并且在任一網(wǎng)格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩等于它們所代表的那一部分結構的內(nèi)力。本文梁格法分析中的截面特性［1］計算如下:

1)沿腹板縱向中線切開，用以模擬縱向抗彎剛度，抗彎慣性矩仍以原截面主軸計算。

2)梁抗扭剛度的計算按整體箱形斷面自由扭轉剛度平攤到各縱梁上。

3)箱梁頂板單位抗彎i1、底板模擬的虛擬模型剛度i2、單位剪切面積A2分別為:

①單位抗彎剛度

圖1 岔口異形結構典型橫斷面

式中 t1、t2為向量頂、底板厚度;h為頂、底板中心距。

②單位抗扭剛度

③單位剪切面積

式中 I為腹板間距;tw為腹板寬度;E為彈性模量;G為剪切模量。

4)橫隔板在虛擬橫梁中計入自身剛度。

2.2 實體模型概述

結構設計時，根據(jù)道路控制線形的中線以及結構自身的特征選擇2條參考線，分別位于2個岔口的中間，其線形由多段圓弧組成，相應的結構形狀和預應力鋼束控制點均參考2條線定位。充分利用已完成的施工平面構造圖，在AUTOCAD中利用拓展、布爾運算等一系列的實體操作生成實體模型。預應力鋼束的空間曲線形狀采用“獨立建模耦合法”來處理，該法的基本思想是實體和力筋獨立建幾何模型，分別劃分單元，然后采用耦合方程將力筋單元和實體單元聯(lián)系起來，如圖3 ～5 所示［2］。

圖2 岔口異形結構平面圖

2.3 荷載工況

為了便于與荷載試驗實測值對比，分別按照城市－A級荷載考慮2種荷載工況［3］。工況1:第2～3跨梁體跨中附近最大正彎矩Mmax加載工況;工況2:第3跨支點附近最大負彎矩Mmin加載工況。

圖3 包含預應力空間線形的空間實體模型

圖4 分網(wǎng)后的有限元局部實體模型

3 分析結果

匯總空間實體分析結果及荷載試驗實測結果、梁格單元法結果如表1～4所示。

空間實體分析結果曲線如圖6～9所示。

由表1～4及圖6～9可知:

圖5 耦合預應力束筋后的實體有限元模型

表1 第2～3跨梁體跨中截面底緣正應力(工況1)MPa

表2 第3跨附近梁體截面底緣正應力(工況2)MPa

表3 第2～3跨、第3～4跨中截面底緣撓度(工況1)mm

表4 第2～3跨、第3～4跨跨中截面底緣撓度(工況2)mm

圖6 工況1下第2～3跨梁體跨中截面底緣正應力變化曲線

圖7 工況2下第3～4跨附近梁體截面底緣正應力變化曲線

圖8 工況1下梁體跨中截面底緣撓度變化曲線

1)空間實體分析的應力、位移與荷載試驗結果最接近并略偏大，說明實體分析最精確，設計合理且結構處于安全運營狀態(tài);2)偏載效應明顯，圖6～9表明:荷載對稱布置(工況1)和偏載布置(工況2)下異形結構均存在偏載效應，工況1兩邊腹板底部應力相差4%左右，工況2兩邊腹板底部應力相差2.7倍左右;3)箱梁剪力滯效應明顯，圖6對應的2個峰值為腹板底部應力，最大值較底板中部大25%，圖7對應的4個峰值為4個腹板底部應力，由于腹板間距較小，剪力滯效應沒有圖6明顯，但仍然存在;4)梁格法分析結果與實體分析結果非常接近(見表1～4)，表明梁格法能較好的反映結構的總體性能，能夠反映偏載效應，分析結果比較準確;5)梁格法不能反映箱梁結構的剪力滯效應，只能通過有效寬度解決，另外梁格法不能反映結構的局部效應，因此為了合理配置局部鋼筋，異形結構的局部區(qū)域仍然要采用空間體單元分析［4］;6)單梁法本質上不能體現(xiàn)異形結構的力學特征，如表1～4，與前面的分析對比，正負偏差都太大，因此采用單梁法設計造成配筋浪費的同時也會使得結構不安全，異形結構設計中不宜采用單梁法。

圖9 工況2下梁體跨中截面底緣撓度變化曲線

4 結語

針對某岔口異形結構分別采用了實體方法、空間梁格法進行了空間力學特性的分析，并將數(shù)值分析的結果同荷載試驗實測結果進行對比。數(shù)值分析與荷載試驗實測結果均顯示岔口異形結構剪力滯效應明顯?？臻g梁格法能夠較好的反應其空間力學特性，但需要通過有效寬度來考慮剪力滯效應，單梁模型本質上不能反應異形結構的力學特性，建議采用梁格法和實體方法進行異形結構設計。

［1］Edmund C，Hambly.Bridge Deck Behaviour［M］.London:Chapman an Hall Ltd.，1976.

［2］中交公路規(guī)劃設計院.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］劉斌.城市立交橋中異形箱梁橋的有限元分析［D］.杭州:浙江大學，2004.

［4］戴公連，李德健.橋梁結構空間分析設計方法與應用［M］.北京:人民交通出版社，2001.