大跨度連續(xù)剛構(gòu)墩梁固結(jié)分析

張樹清 鄭國(guó)華

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司橋梁分院，安徽 合肥 230088)

大跨度連續(xù)剛構(gòu)墩梁固結(jié)分析

張樹清 鄭國(guó)華

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司橋梁分院，安徽 合肥 230088)

采用ANSYS 建立連續(xù)剛構(gòu)墩梁固結(jié)有限元模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝后的多種工況靜力分析，得到其應(yīng)力情況，結(jié)果表明該安裝方案在靜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面表現(xiàn)良好，設(shè)計(jì)合理，墩梁固結(jié)區(qū)應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

連續(xù)剛構(gòu)，墩梁固結(jié)，有限元，靜力分析

某橋主橋跨徑布置為(97+176+97)m，全長(zhǎng)370 m，為連續(xù)剛構(gòu)橋方案，結(jié)構(gòu)體系采用墩梁固結(jié)的形式。主梁采用單箱單室變高度箱梁，主墩采用雙薄壁墩，下部采用承臺(tái)及群樁基礎(chǔ)。

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變高度箱梁，主梁全寬32.0 m。箱梁支點(diǎn)梁高10.0 m，跨中梁高4.5 m，行車道部分頂板厚度為0.28 m，翼緣板邊緣厚度0.20 m。底板厚度由跨中0.32 m變化到支點(diǎn)處1.20 m。腹板采用分段等寬，由跨中到支點(diǎn)分兩次變化，厚度分別為0.50 m，0.65 m，0.80 m。主梁端支點(diǎn)及中支點(diǎn)處均設(shè)置橫隔梁，端橫隔梁厚度2.00 m，中橫隔梁厚度2.00 m，中橫隔梁?jiǎn)蝹€(gè)支點(diǎn)上設(shè)置兩道，分別與兩道薄壁墩固結(jié)。主墩采用雙薄壁墩形式，主墩橫橋向標(biāo)準(zhǔn)寬度9.95 m。順橋向?yàn)榈葘?，寬?.6 m。兩個(gè)薄壁墩間距為4.0 m。主墩基礎(chǔ)采用承臺(tái)及群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)采用矩形承臺(tái)，承臺(tái)分上下兩層，總高5.0 m，下層高3.0 m，橫橋向?qū)?4.0 m，順橋向?qū)?9.0 m，上層高2.0 m，橫橋向?qū)?0.95 m，順橋向?qū)?1.0 m，見圖1。

1 計(jì)算模型

1.1 有限元模型

由于連續(xù)剛構(gòu)橋的墩梁固結(jié)區(qū)的構(gòu)造和應(yīng)力分布都較為復(fù)雜，為考察墩梁固結(jié)區(qū)域在不利施工工況下受力狀況，直觀的看出該區(qū)域應(yīng)力分布情況，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立墩梁固結(jié)區(qū)域有限元模型，如圖2所示。根據(jù)圣維南原理，墩梁固結(jié)區(qū)的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的受力狀態(tài)有關(guān)，有限元模型截取雙薄壁墩墩柱和承臺(tái)，箱梁順橋向截取52 m模擬研究。

墩梁固結(jié)區(qū)域承臺(tái)、橋墩、箱梁混凝土部分采用實(shí)體單元Solid65模擬，劃分單元網(wǎng)格時(shí)盡量采用正六面體單元，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型計(jì)算中考慮預(yù)應(yīng)力鋼束作用，按預(yù)應(yīng)力實(shí)際布置情況模擬，如圖3所示，預(yù)應(yīng)力鋼束用桿單元Link8模擬。預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)加應(yīng)力是通過(guò)對(duì)桿單元施加降溫實(shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土之間的連接關(guān)系通過(guò)自由度耦合來(lái)模擬，計(jì)算中不考慮普通鋼筋的作用。

1.2 荷載工況

橋梁施工過(guò)程復(fù)雜，施工工況很多，針對(duì)每個(gè)施工工況都進(jìn)行墩梁固結(jié)局部分析，耗時(shí)耗力。在局部分析中結(jié)合整體計(jì)算的工況結(jié)果，選取對(duì)結(jié)構(gòu)最不利幾個(gè)工況進(jìn)行局部分析。綜合考慮共選取四種荷載工況:工況一，最大雙懸臂，即是掛籃懸澆施工邊跨、中跨均未合龍狀態(tài)；工況二，最大單懸臂，即是掛籃懸澆施工邊跨合龍、中跨合龍前狀態(tài)；工況三，正常使用極限狀態(tài)組合Ⅲ(彎矩最大)；工況四，承載能力極限狀態(tài)(彎矩最大)。

各工況下梁端荷載表見表1。

表1 各工況下梁端荷載

1.3 邊界條件

局部分析計(jì)算中有限元模型的邊界條件可分為位移邊界條件和力的邊界條件，分析中在考慮邊界條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)近似的同時(shí)，對(duì)無(wú)法準(zhǔn)確模擬的邊界條件按偏安全處理。在局部分析模型的兩端施加整體計(jì)算得到的力的邊界條件，在雙薄壁墩承臺(tái)底部施加約束所有自由度位移邊界條件[2]。

2 局部分析結(jié)果

各工況計(jì)算應(yīng)力分布情況如圖4～圖7所示。

從圖4～圖7可以看出：

1)邊、中跨均未合龍，結(jié)構(gòu)處于最大雙懸臂時(shí)，墩梁固結(jié)區(qū)域箱梁頂板壓應(yīng)力-11.2 MPa～-20.9 MPa，腹板壓應(yīng)力-8.02 MPa～-14.5 MPa，底板應(yīng)力-4.8 MPa～-8.02 MPa；

2)邊跨合龍，中跨尚未合龍，結(jié)構(gòu)處于最大單懸臂時(shí)，墩梁固結(jié)處箱梁頂板的壓應(yīng)力為-11.5 MPa～-21.4 MPa，腹板壓應(yīng)力-8.19 MPa～-18.1 MPa，底板應(yīng)力-4.89 MPa～-8.19 MPa；

3)正常使用極限狀態(tài)荷載組合Ⅲ最大彎矩工況下，頂板壓應(yīng)力-11.1 MPa～-20.6 MPa，腹板壓應(yīng)力-8.01 MPa～-17.6 MPa，底板應(yīng)力-4.78 MPa～-8.01 MPa；

4)承載能力極限狀態(tài)最大彎矩工況下，頂板壓應(yīng)力-3.5 MPa～-5.86 MPa，腹板壓應(yīng)力-5.86 MPa～-10.6 MPa，底板應(yīng)力-8.21 MPa～-12.9 MPa；

5)單懸臂狀態(tài)箱梁頂板應(yīng)力邊跨側(cè)稍微大于中跨側(cè)，箱梁底板應(yīng)力中跨側(cè)稍微大于邊跨側(cè)；正常使用極限狀態(tài)荷載組合Ⅲ箱梁頂板、底板壓應(yīng)力較最大雙懸臂、最大單懸臂狀態(tài)應(yīng)力減小。除承載能力極限狀態(tài)外，結(jié)構(gòu)在各工況下主應(yīng)力數(shù)值相差不大。各工況作用下墩梁固結(jié)區(qū)域截面均處于受壓狀態(tài)，受力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS 對(duì)墩梁固結(jié)段建立了比較精細(xì)的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析。結(jié)果顯示該方案在靜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面表現(xiàn)良好，設(shè)計(jì)合理。墩梁固結(jié)區(qū)應(yīng)力滿足要求，預(yù)應(yīng)力鋼束布置合理。建議在滿足施工的條件下，在拉應(yīng)力比較大的區(qū)域，適當(dāng)增加鋼筋密度；在壓應(yīng)力比較大的區(qū)域，適當(dāng)考慮構(gòu)件局部增強(qiáng)，考慮局部承壓設(shè)計(jì)。

[1] JTJ 023-85，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 高 偉.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)區(qū)受力分析[J].大連大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(4)：23-25.

[3] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4] 周敬庫(kù).鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)處的局部應(yīng)力分析研究[J].鐵道建筑，2008(23)：57.

[5] 夏 龍.高墩大跨T型剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)處試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008.

Analysis of joint between piers and girder of long-span continuous rigid frame bridge

ZHANG Shu-qing ZHENG Guo-hua

(BridgeBranchCourtsofAnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230088,China)

The FEM local analysis of joint between piers and girder of the bridge were performed by using ANSYS program. Stress distributions of the joint in construction stages and working stages were obtained by static calculation of a variety of conditions. Proves by the result that the scheme has better performances in the strength of the static structure and has reasonable design, and the stress at pier beam consolidation area can meet the requirements for the design regulation.

continuous rigid-frame, joint between piers and girders, FEM, static analysis

1009-6825(2014)11-0180-02

2014-02-07

張樹清(1983- )，男，碩士，工程師； 鄭國(guó)華(1975- )，男，高級(jí)工程師

U443.22

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