某小曲線大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁靜力計算分析

曹文杰

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司　武漢　430063)

某小曲線大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁靜力計算分析

曹文杰

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司武漢430063)

摘要由于小曲線半徑連續(xù)梁受力較為復(fù)雜，空間效應(yīng)明顯，為提高小曲線半徑連續(xù)梁的抗傾覆能力，結(jié)構(gòu)采用了剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)形式。通過采用ASCB，MIDAS，ANSYS等分析程序，按有限元法模擬各施工階段及運營階段工況，計算各施工階段及運營階段各截面的內(nèi)力、應(yīng)力及變形等，分析軌道交通小曲線半徑剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)受力特點。

關(guān)鍵詞有軌電車連續(xù)-組合梁小曲線半徑

近幾年來，城市新型公共交通系統(tǒng)不斷發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車項目在這種趨勢下也得到蓬勃發(fā)展。有軌電車在線路線形設(shè)計上更趨近于市政道路設(shè)計，因此，為更好地適應(yīng)城市道路，線路設(shè)計上會經(jīng)常采用到小曲線半徑。小曲線半徑對于高架橋梁設(shè)計的影響很大，為此，筆者擬結(jié)合某有軌電車項目中的具體工點設(shè)計，對軌道交通小曲線半徑連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的受力特點進行分析[1-2]。

1工程概況

該有軌電車正線在右DK13+475處上跨某運河，夾角約23°。該運河航道凈高不小于4.5 m，凈寬不小于40 m。為滿足通航要求，同時保證主橋與周圍自然環(huán)境的景觀效果，設(shè)計采用36 m+60 m+36 m連續(xù)-剛構(gòu)梁跨越運河，其中60 m主跨一跨跨越運河，2主墩均位于駁岸線以外；本梁采用掛籃懸臂澆筑施工。橋梁平面布置見圖1。

圖1　平面布置圖

由圖1可見，主橋位于曲線上，全梁梁體基本都在圓曲線范圍內(nèi)，曲線半徑R=150 m；橋上雙線，線間距4.434～4.403 m。梁上縱坡分為2段(均為上坡)，一段為42‰縱坡，一段為3.4‰縱坡。橋上運行按7模塊編組的有軌電車荷載。

2結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單箱單室變高度箱形截面。邊跨直線段及中跨跨中梁高2.0 m，中支點截面梁高為3.8 m，變高梁段底板按圓曲線變化，圓曲線半徑R=215.578 m。全橋箱梁頂寬9.2 m，箱梁底寬5.2 m。頂板厚27 cm，腹板厚分別為40，70 cm，底板厚由跨中的28 cm按圓曲線變化至中支點梁根部的50 cm，中支點處加厚到80 cm。主梁輪廓見圖2，邊、中支點截面見圖3。

圖2　結(jié)構(gòu)總體輪廓圖

圖3　邊支點及中支點處梁部半截面(單位：cm)

全梁共設(shè)5道橫隔梁，分別設(shè)于中支點、端支點和中間跨跨中截面。主梁除0號梁段(長10 m)、邊孔直線梁段(長4.9 m)在支架上施工外，其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑。

為提高小曲線半徑連續(xù)梁的抗傾覆能力，結(jié)構(gòu)采用了剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)形式，小里程中墩與主梁固結(jié)。固結(jié)橋墩采用矩形橋墩，墩頂截面尺寸為：5.2 m(橫向)×2.4 m(縱向)，墩底截面尺寸為：3.2 m(橫向)×2.4 m(縱向)，為與梁部平順銜接，橋墩采用圓弧過渡；下部基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)。

3上部結(jié)構(gòu)計算分析

剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的縱向計算分別采用ASCB(平面模型，模擬成梁單元)、MIDAS(空間模型，模擬成梁單元)、ANSYS(空間模型，模擬成實體單元，側(cè)重于對曲線梁腹板內(nèi)外側(cè)正應(yīng)力分析)等分析程序，按有限元法模擬各施工階段及運營階段工況，進行計算分析。以下著重對運營階段受力進行分析[3-5]。

(1) ASCB程序支點反力計算結(jié)果。見表1(不含固結(jié)墩)。

表1　ASCB程序支點反力計算結(jié)果　kN

(2) ASCB程序應(yīng)力及正截面強度計算結(jié)果[6]，見表2。

表2　ASCB程序應(yīng)力及正截面強度計算結(jié)果

(3) MIDAS程序支點反力計算結(jié)果，見表3(不含固結(jié)墩)。

表3　MIDAS程序支點反力計算結(jié)果　kN

(4) ANSYS程序支點反力計算結(jié)果。本模型混凝土采用solid45實體單元建模，預(yù)應(yīng)力鋼索采用link8單元建模。鋼索與混凝土采用約束方程連接，鋼索采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力。本模型所施加荷載為自重+預(yù)應(yīng)力+二恒+活載。提取了各支座的支反力，見表4。同時，提取各典型截面的順橋向正應(yīng)力分布見圖4。

表4　ANSYS程序支點反力計算結(jié)果　kN

圖4　各典型截面正應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

另外，通過在ANSYS中提取各關(guān)鍵截面的內(nèi)外腹板平均剪應(yīng)力分布結(jié)果。通過內(nèi)外側(cè)平均剪應(yīng)力比值發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外腹板剪力有一定的不均勻性，在抗剪設(shè)計配筋時應(yīng)予以注意。腹板平均剪應(yīng)力計算結(jié)果見表5。

表5　腹板平均剪應(yīng)力計算結(jié)果　MPa

提取各跨中截面頂板、底板肋板處的正應(yīng)力分布情況，用以對比內(nèi)外側(cè)肋板處正應(yīng)力比值(表6中數(shù)值均為壓應(yīng)力)。根據(jù)表6可知，內(nèi)外側(cè)正應(yīng)力分布相對較為均勻，最大比值為1.12。建議以該系數(shù)作為放大系數(shù)進行驗算和配筋。

表6典型截面內(nèi)、外側(cè)肋板正應(yīng)力計算結(jié)果MPa

截面位置外腹板內(nèi)腹板比值(大/小)大里程邊跨跨中頂板6.146.901.12底板8.549.351.10中跨跨中頂板12.4811.591.08底板11.3810.211.11小里程邊跨跨中頂板6.796.291.08底板9.569.061.05

支反力結(jié)果分析：以6號墩為例，主力作用下，曲線內(nèi)側(cè)支反力為外側(cè)的1.55倍(ASCB)，1.27(midas)，1.30(ansys)，曲線引起的彎扭效應(yīng)明顯，在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計中須引起足夠重視；恒載作用下，曲線內(nèi)側(cè)支反力為外側(cè)的1.55倍(ASCB)，1.33(midas)，內(nèi)側(cè)支反力明顯大于外側(cè)；活載作用下，曲線內(nèi)側(cè)反力最大1 180 kN(ASCB)，1 097 kN(midas)，外側(cè)最小反力-40.3 kN(ASCB)，-29.0 kN(midas)，外側(cè)出現(xiàn)了拉力。

應(yīng)力結(jié)果分析：局部應(yīng)力計算結(jié)果顯示，對應(yīng)于直線梁，小曲線半徑梁的剪應(yīng)力和正應(yīng)力存在不同程度的增大，曲線內(nèi)外側(cè)腹板剪應(yīng)力最大比值2.09，正應(yīng)力最大比值1.12，在普通鋼筋的計算和配置中需加強。

4結(jié)語

通過ASCB，MIDAS，ANSYS 3個程序?qū)χ骺?0 m小曲線半徑剛構(gòu)連續(xù)梁的計算，著重從支反力和應(yīng)力2個方面闡述梁的受力情況，驗證了3個程序計算出的小曲線半徑梁內(nèi)、外側(cè)支反力雖有誤差，但相差不大且變化趨勢一致；但是考慮到小曲線半徑梁受翹曲、扭轉(zhuǎn)變形影響大，有必要通過ANSYS進行實體分析，掌握曲線內(nèi)外側(cè)腹板應(yīng)力分布狀況，合理配置普通鋼筋。目前在軌道交通中，同類型的橋梁尚不多見，本工程通過實例對小曲線大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁靜力進行計算分析，以期為同類橋梁的建設(shè)提供參考、借鑒。

參考文獻

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收稿日期：2015-03-11

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.020