預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)有限元分析

【摘要】考慮到預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)體系特點，本文建立了考慮和不考慮樁群剛度影響的兩種有限元計算模型，對比分析了在各種荷載作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力差別。分析結(jié)果表明：主梁彎矩內(nèi)力在體系溫度作用下改變最明顯，同時產(chǎn)生的跨中撓度也較為明顯；在預應力、混凝土收縮徐變作用下產(chǎn)生的主墩內(nèi)力較大，而由活載和恒載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不大。研究結(jié)果為預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供了一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程；預應力連續(xù)剛構(gòu)；有限元方法；對比分析

引言

采用懸臂施工方法使得大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的跨度大增，并且不安全因素也會增加。為了防止由線形失控和施工應力導致的安全事故與經(jīng)濟損失，在對橋梁施工時應進行全程實測監(jiān)控及仿真分析，對施工過程中的線形控制和應力測試應進行高標準要求，在施工時對每個階段進行詳細的變形計算及受力分析已成為橋梁施工監(jiān)測與控制最基本的內(nèi)容之一[1-3]。連續(xù)剛構(gòu)作為一種固結(jié)墩梁的連續(xù)結(jié)構(gòu)，可利用高墩柔度來適應在徐變、預應力、溫度變化和混凝土收縮作用下產(chǎn)生的位移。因此，所有影響墩身剛度的種種因素都極有可能導致結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化，采用有限元分析模型進行預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計及計算時是否考慮樁基對上部結(jié)構(gòu)的影響，所得計算結(jié)果會有一定的差別。

本文采用結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil建立了兩種有限元計算模型：第一種是考慮樁基影響的整體模型，認為樁基剛度無限大；第二種是墩底固結(jié)模型，不考慮樁基對墩底彈性約束影響。對兩種模型的計算結(jié)果從連續(xù)剛構(gòu)在恒載、溫度力、預應力等荷載作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面進行了詳細的對比分析。

1、兩種有限元計算模型

根據(jù)跨度為102+186+102m的某三跨預應力連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計資料，建立了如圖1和圖2所示的兩種有限元分析模型，分別是墩底固結(jié)模型及整體模型，并根據(jù)實際空間結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，全橋采用梁單元進行數(shù)值模擬[4，5]。

1.1墩底固結(jié)計算模型

單元劃分與施工階段劃分基本保持一致。全橋共劃分單元142個，其中梁部劃分了118個，墩身劃分了24個；全橋共劃分節(jié)點147個，邊界約束條件設(shè)置為墩底固結(jié)，兩邊跨梁端設(shè)置了兩個自由度，分別為Y-Z平面角位移和水平線位移，其余4個方向均被約束；梁和主墩采用的是剛性連接。圖1所示為計算模型及單元的詳細劃分情況。

1.2整體計算模型

梁和墩的單元劃分與模型Ⅰ相同，另外增加了承臺單元2個，樁基單元80個，全橋單元共224個，節(jié)點251個。樁長取24m，兩邊跨梁端設(shè)置了兩個自由度，分別是Y-Z面的角位移和水平線位移，其余4個方向均被約束；梁和主墩、主墩和承臺、承臺和樁頂之間均使用剛臂連接。圖2所示為其有限元分析模型和單元的具體劃分情況。

2、計算結(jié)果對比分析

表1所示為兩種有限元模型下的對比計算結(jié)果，主要是就結(jié)構(gòu)在活載、恒載、體系升溫、預應力一次力、預應力二次力、收縮徐變二次力及主梁負梯度溫差作用下產(chǎn)生的主要控制截面彎矩內(nèi)力進行了對比。

由表1可以看出，同墩底固結(jié)有限元分析模型計算結(jié)果相比較，整體有限元分析模型下的計算結(jié)果除在活載、恒載、預應力一次力作用下的彎矩內(nèi)力略有增大以外，在其它荷載作用下均有不同程度的降低。其中，由體系溫差荷載產(chǎn)生的彎矩改變最大，降低最大達到了61.48%。整體有限元分析模型下各種荷載作用產(chǎn)生的主墩彎矩內(nèi)力均有所減小，其中以體系溫差、梁截面梯度溫差、預應力二次力和收縮徐變二次力作用產(chǎn)生的影響較大，內(nèi)力降低幅度范圍為13.01%～69.51%，活載作用下的彎矩降低幅度范圍為3.98%～10.97%，由恒載和預應力一次力產(chǎn)生的影響最小，基本上未改變。

3、結(jié)論

考慮樁基彈性約束，對墩底固結(jié)而言，相當于增大了連續(xù)剛構(gòu)墩柔度，能夠更好地適應由徐變、預應力、溫度變化和混凝土收縮引起的結(jié)構(gòu)位移，從而降低了由其引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。通過兩種情況對比發(fā)現(xiàn)：

（1）主梁彎矩內(nèi)力在體系溫度作用下改變最明顯，同時產(chǎn)生的跨中撓度也較為明顯；主梁彎矩內(nèi)力在體系溫度作用下改變最大。

（2）在預應力、混凝土收縮徐變作用下產(chǎn)生的主墩內(nèi)力較大，而由活載和恒載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不大。

（3）對預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計可采用一種優(yōu)化設(shè)計方法，即通過調(diào)節(jié)剛構(gòu)墩的剛度來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使之達到最優(yōu)效果。

參考文獻

[1]周軍生，樓莊鴻.大跨徑預應力混凝土 連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國公路學報，2000，113（11）：31-37

[2]項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2001

[3]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000

[4]公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范 JTGD60-2004[M].北京：人民交通出版社，2004

[5]王文濤.剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋[M].北京：人民交通出版社，1997