基于ANSYS的簡(jiǎn)支T梁橋橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的空間仿真分析

凌青松

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京　102600)

The Space Simulation Analysis of Simply-Supported T Beam Bridge with Continuous Slab-Deck Structure Based on ANSYS

LING Qingsong

基于ANSYS的簡(jiǎn)支T梁橋橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的空間仿真分析

凌青松

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600)

The Space Simulation Analysis of Simply-Supported T Beam Bridge with Continuous Slab-Deck Structure Based on ANSYS

LING Qingsong

摘要根據(jù)有限元理論，借助ANSYS大型有限元軟件模擬簡(jiǎn)支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在不同荷載工況作用下的應(yīng)力狀況，通過參數(shù)的敏感性分析研究影響橋面連續(xù)端受力的因素并提出相關(guān)的改善措施。

關(guān)鍵詞簡(jiǎn)支T梁橋橋面連續(xù)應(yīng)力分析ANSYS

橋面連續(xù)簡(jiǎn)支梁橋具有簡(jiǎn)支梁橋的力學(xué)特性，又能為車輛提供連續(xù)的行車道，發(fā)揮了連續(xù)梁橋的優(yōu)越性，在國內(nèi)外中、小跨徑梁橋中都得到了廣泛的應(yīng)用。但因橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)位于簡(jiǎn)支梁主梁變形的最大部位，以及因橡膠支座彈性壓縮不同步引起相鄰橋孔的錯(cuò)動(dòng)變形，導(dǎo)致橋面連續(xù)縫結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜，梁端橋面連續(xù)構(gòu)造的鋪裝層在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)就產(chǎn)生了早期破壞，影響到橋梁結(jié)構(gòu)本身的使用壽命。以某橋面連續(xù)簡(jiǎn)支T梁橋?yàn)槔瑢⒑?jiǎn)支T梁實(shí)橋原型截面按照一定的相似比縮放得到計(jì)算模型，借助ANSYS大型有限元軟件進(jìn)行建模仿真計(jì)算，分別研究簡(jiǎn)支T梁橋梁端橋面連續(xù)構(gòu)造在不同荷載工況下的應(yīng)力狀況及影響因素。

1工程背景簡(jiǎn)況

以某梁式橋加固改造工程為研究背景，該橋是一座6×16 m T形公路簡(jiǎn)支梁橋，橋面寬度為2×4.5 m，橋跨橫斷面由7片T形梁組成，T梁橫向中距1.6 m，T梁截面寬1.6 m，高1.3 m，腹板厚為30～18 cm。該橋設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)16 m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁，橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)，全橋采用三跨一聯(lián)，共兩聯(lián)。本橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，溫度變化為±20 ℃。主梁及橋面鋪裝均采用C40強(qiáng)度等級(jí)混凝土。為了縮減ANSYS程序分析計(jì)算時(shí)間，將實(shí)橋原型單片T梁截面按1∶2.5比尺縮放，長(zhǎng)度方向取1.2 m。模型及支座示意如圖1。

圖1　兩跨單片T梁模型及支座設(shè)置示意

2單元和材料的選擇及模型的建立

T梁整體采用Solid45混凝土實(shí)體單元，但在橋面連續(xù)縫處取1 m長(zhǎng)的加強(qiáng)區(qū)段(包括橋面鋪裝層)采用Solid65鋼筋混凝土實(shí)體單元，鋼筋采用Link8桿單元，網(wǎng)格劃分方式采用六面體映射網(wǎng)格，通過lesize、esize命令對(duì)模型的單元尺寸進(jìn)行控制，得到符合要求的有限元模型。建模所用的材料屬性見表1。

表1　建模所用的材料屬性

3各荷載工況及影響因素下的仿真計(jì)算分析

對(duì)不同的荷載工況和影響因素分別進(jìn)行線性和非線性分析。荷載主要考慮汽車活載、整體溫降20 ℃、整體溫升20 ℃三個(gè)單項(xiàng)荷載及其組合工況。最不利狀況是將以上單項(xiàng)荷載工況進(jìn)行組合，其中各單項(xiàng)荷載的荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)均取1。橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)受力影響因素主要有：(1)橋面鋪裝層的厚度；(2)橋面鋪裝層的彈性模量；(3)環(huán)境溫度變化；(4)各種梁型結(jié)構(gòu)(箱梁、T梁、板梁)。以下只討論T梁。

3.1　各荷載工況對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響分析

(1)溫度變化

通過簡(jiǎn)支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在溫降20 ℃工況計(jì)算可知，溫降情況下，其結(jié)構(gòu)變形處于近似對(duì)稱狀態(tài)。通過梁端橋面連續(xù)順橋向應(yīng)力SZ數(shù)據(jù)可知，最大拉應(yīng)力為0.359 MPa，通過最大壓應(yīng)力為-0.474 MPa。簡(jiǎn)支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在溫升20 ℃工況計(jì)算可知，在升溫的工況下，梁體向上拱起。從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其橋面連續(xù)端由于梁體上拱產(chǎn)生壓應(yīng)力，橋面連續(xù)端所受的應(yīng)力全為壓應(yīng)力，其最大壓應(yīng)力為4.092 MPa，最小壓應(yīng)力為1.695 MPa。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的抗壓性能，但其在發(fā)生破壞的時(shí)候一般都是由于承受了過大的拉應(yīng)力作用。所以，在溫升20 ℃工況對(duì)橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的破壞作用不大，可以不用考慮，在后面的影響因素分析中不考慮升溫工況對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

(2)汽車活載

通過對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)最不利荷載位置進(jìn)行汽車活載的時(shí)程加載，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行非線性計(jì)算。通過外荷載的施加可以看出，其橋面連續(xù)段處均受拉應(yīng)力，簡(jiǎn)支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞一般都是受到拉應(yīng)力作用，混凝土具有良好的抗壓性能。經(jīng)過計(jì)算，其橋面連續(xù)端的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力為1.138 MPa，最小拉應(yīng)力為0.880 MPa。

(3)組合工況

結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)營中，不會(huì)只是受到某一獨(dú)立的荷載工況的作用，都會(huì)是在多種荷載工況組合下工作，如：溫度變化+汽車活載、收縮徐變+汽車活載、汽車制動(dòng)+汽車活載、還有溫度變化+汽車活載+收縮徐變等，諸如此類的荷載組合還有很多。在實(shí)際的研究分析中很難去分析收縮徐變?cè)谄嚭奢d作用的同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，分析較多的還是溫度與荷載的組合作用。本文中主要研究簡(jiǎn)支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在汽車活載+溫度變化(升、降溫)組合工況下的受力分析。

在溫降20 ℃+活載最不利加載工況中，橋面連續(xù)端所受應(yīng)力波動(dòng)較大且其產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；而在溫升20 ℃+活載最不利加載工況中，橋面連續(xù)端所受的應(yīng)力波動(dòng)較小且其數(shù)據(jù)曲線大部分都在前者之下且其所受的應(yīng)力全為壓應(yīng)力。以上比較圖更說明溫降20 ℃+活載最不利加載工況在組合工況中更為不利。

(4)結(jié)構(gòu)線性分析與非線性分析比較

橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中基于線彈性的理論分析未能真實(shí)反映砼的實(shí)際受力特征，因此，需要進(jìn)一步作非線性分析，即考慮材料的非線性行為。筆者通過ANSYS有限元軟件對(duì)橋面連續(xù)端的受力進(jìn)行了線性與非線性的計(jì)算并將其結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　結(jié)構(gòu)線性與非線性分析結(jié)果比較　MPa

從表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，線性分析結(jié)果與非線性結(jié)果存在較大的區(qū)別，在溫降20 ℃與溫升20 ℃+活載最不利加載的工況中，分析結(jié)果差異表現(xiàn)得更明顯。出現(xiàn)此情況是由于在結(jié)構(gòu)的分析中隨著受力的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形以及裂縫甚至開裂等情況，使結(jié)構(gòu)的剛度下降，從而使其結(jié)構(gòu)在荷載作用下的非線性計(jì)算比線性計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果要小。實(shí)際工程中，若是只是做一個(gè)初步計(jì)算，可以利用線性計(jì)算得出大致的受力情況，但在對(duì)計(jì)算精度有較高要求的情況下，則需要利用非線性分析。

梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)位于主梁體變形的最大部位，梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在使用中主要受到動(dòng)載疲勞與溫度變化應(yīng)力的影響，使其砼容易被拉裂，進(jìn)而易導(dǎo)致橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)早期破壞，嚴(yán)重影響到橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.2　各影響因素對(duì)橋面連續(xù)端受力的影響

橋面鋪裝層主要參數(shù)包括鋪裝層的厚度與鋪裝層材料的彈性模量，主要考慮這兩個(gè)參數(shù)的變化，針對(duì)橋面鋪裝的材料(混凝土等級(jí))、橋面鋪裝的厚度、橋面鋪裝在汽車活載最不利加載工況下橋面連續(xù)縫處鋪裝層應(yīng)力進(jìn)行線性和非線性計(jì)算并作比較分析。

(1)不同彈性模量橋面鋪裝的橋面連續(xù)端應(yīng)力分析

分別對(duì)C35、C40、C45等級(jí)混凝土的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果表明，橋面鋪裝層彈性模量的改變對(duì)鋪裝層的受力影響很大。隨著鋪裝層彈性模量的增大，與梁體頂板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中所占的剛度越來越大，使得橋面鋪裝在復(fù)合結(jié)構(gòu)中承受更多的荷載分布。隨著橋面鋪裝層彈性模量的增大，橋面連續(xù)鋪裝層最大應(yīng)力也呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中不可能取無限小彈性模量的鋪裝層，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要滿足自身的抗彎、抗扭等要求，而是在設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定下取較小值來做設(shè)計(jì)。建議在橋面連續(xù)鋪裝時(shí)，采用彈性模量較低的瀝青混凝土或低彈性模量的改性環(huán)氧砼，并且應(yīng)采用特殊結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)鋪裝層的強(qiáng)度。

(2)不同鋪裝厚度橋面連續(xù)端的應(yīng)力分析

對(duì)實(shí)橋T梁原型的橋面鋪裝設(shè)計(jì)成不同厚度(8～14 cm)，這里對(duì)應(yīng)計(jì)算模型梁的鋪裝厚度取3.5 cm、4 cm、4.8 cm、5.6 cm四種情況。

通過計(jì)算分析可知，隨著橋面鋪裝厚度的增大，橋面連續(xù)端的整體應(yīng)力變化不大，明確顯示出隨著橋面鋪裝厚度的增大，橋面連續(xù)端的順橋向最大拉應(yīng)力最大值在減小，這主要是因?yàn)殡S著橋面鋪裝厚度的增大，其在與頂板形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中所占的剛度越來越大，使得橋面鋪裝的最大拉應(yīng)變?cè)絹碓叫?，從而使其拉?yīng)力減小。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，隨著橋面鋪裝厚度的增大，其自身的重量也必然增加，從而增大了橋梁本身的負(fù)荷，所以橋面鋪裝厚度的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定下取較大值。

4結(jié)論

(1)簡(jiǎn)支T型梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在單一荷載作用工況中，溫降20 ℃時(shí)橋面連續(xù)端產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的累積損傷作用；而在溫升20℃時(shí)橋面連續(xù)端產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，對(duì)結(jié)構(gòu)沒有破壞作用；汽車活載的最不利加載工況產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞起主要的作用。

(2)在溫升、溫降與汽車活載加載的組合工況中，對(duì)橋面連續(xù)端產(chǎn)生的拉應(yīng)力較之最不利活載都會(huì)有一定的減小。且相對(duì)來說，溫降20℃+汽車活載加載產(chǎn)生了較不利的作用。

(3)在通過應(yīng)力對(duì)橋面鋪裝參數(shù)的敏感性分析中，橋面連續(xù)端的順橋向拉應(yīng)力隨彈性模量的增大而增大，隨著橋面鋪裝厚度的增大而減小。建議在橋面連續(xù)鋪裝時(shí)，采用彈性模量較低的瀝青混凝土或低彈性模量的改性環(huán)氧砼，并且應(yīng)采用特殊結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)鋪裝層的強(qiáng)度，橋面鋪裝厚度的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定下取較大值。

(4)在對(duì)有限元模型線性分析與非線性分析結(jié)果的比較中，橋面連續(xù)端所受到的應(yīng)力最大值存在較大的差異。在工程中若對(duì)該結(jié)構(gòu)做個(gè)大概的受力估算可以通過簡(jiǎn)單的線性分析來實(shí)現(xiàn)，要想得到較精確的受力情況還需要通過非線性分析來實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001

[2]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社，2002

[3]過鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003

[4]GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5]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

[6]王虎，胡長(zhǎng)順，王秉剛.簡(jiǎn)支梁橋梁端處橋面連續(xù)鋪裝層結(jié)構(gòu)計(jì)算分析[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(4):1-4

[7]何暢，向中富.簡(jiǎn)支梁橋橋面連續(xù)構(gòu)造的空間仿真分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(2)

[8]王曉東，李東彬.新型預(yù)制鋼筋混凝土梁體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察，2015(1)

中圖分類號(hào)：U448.21+7； U441+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0079-03

作者簡(jiǎn)介：凌青松(1987—)，男，碩士。

收稿日期：2015-05-06