軌道交通橋梁預(yù)制蓋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究

朱君卿

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

軌道交通橋梁預(yù)制蓋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究

朱君卿

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

通過運(yùn)用有限元程序ANSYS、MIDAS和規(guī)范理論算法，研究軌道交通橋梁預(yù)制蓋梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，在施工和運(yùn)營兩種荷載工況下，對(duì)接口連接構(gòu)造的力學(xué)行為和計(jì)算建模方法進(jìn)行較為詳盡的論述，以及對(duì)不同邊界條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。從接口部位的環(huán)形焊縫應(yīng)力、鋼板與混凝土連接的鋼筋應(yīng)力和接口部位的混凝土應(yīng)力分析結(jié)果可知，該接口構(gòu)造的連接方案具有一定的可靠性和安全性，同時(shí)該研究過程和理論分析成果為其他工程的設(shè)計(jì)分析工作具有一定的借鑒作用。

軌道交通；橋梁；預(yù)制蓋梁；下部結(jié)構(gòu)；環(huán)形焊縫

圖1 軌道交通現(xiàn)澆蓋梁

圖2 軌道交通預(yù)制蓋梁

預(yù)制蓋梁由于其良好的施工優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)外曾有過不少工程實(shí)踐和研究，但是在國內(nèi)軌道交通橋梁中應(yīng)用的卻很少。目前國內(nèi)城市軌道交通橋梁建設(shè)正步入高峰期，城市對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)交通運(yùn)營環(huán)境要求越來越高，為最大限度地減少橋梁施工特別是蓋梁現(xiàn)澆施工對(duì)地面交通的影響(圖1)，進(jìn)一步縮短工期、提高效率，適應(yīng)現(xiàn)代化、集約化生產(chǎn)發(fā)展模式的需要，采用預(yù)制蓋梁的結(jié)構(gòu)形式及工法(圖2)，是目前能有效地解決蓋梁搭支架施工占道時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)道路交通運(yùn)輸影響比較小的有效辦法。通過對(duì)預(yù)制蓋梁的研究和推廣，可以提升軌道交通橋梁的建設(shè)水平，其研究成果也將直接用于后續(xù)城市軌道交通建設(shè)中，并將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益，其研究成果也將成為我國亟待推廣應(yīng)用的高新產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

1 國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

早在20世紀(jì)70年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)輸及起吊設(shè)備能力的增加，為提高標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平和適應(yīng)不同環(huán)境的需要，發(fā)達(dá)國家就開始研究、推廣使用混凝土預(yù)制拼裝技術(shù)。至20世紀(jì)80年代，預(yù)拼技術(shù)廣泛應(yīng)用于鐵路、公路及城市橋梁上部結(jié)構(gòu)建設(shè)中[1-10]。預(yù)拼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了一個(gè)由上部到下部的發(fā)展過程。隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市綜合水平的提高，對(duì)環(huán)境要求更高，從而對(duì)施工技術(shù)水平提出了更高的要求。我國從21世紀(jì)初已開始逐步將下部結(jié)構(gòu)的預(yù)拼技術(shù)進(jìn)行推廣，目前，在跨江跨海大橋(如東?？绾４髽騕1-3]、杭州灣跨海大橋等項(xiàng)目工程)的下部結(jié)構(gòu)施工中預(yù)拼技術(shù)已得到成功應(yīng)用，另外中國臺(tái)灣內(nèi)湖線軌道交通工程高架橋也運(yùn)用了預(yù)制蓋梁(圖3)。目前國外軌道交通高架橋，已有預(yù)制蓋梁方面的工程實(shí)例，如迪拜軌道交通高架橋[10](圖4)。隨著國內(nèi)軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，預(yù)制蓋梁在軌道交通中的運(yùn)用將會(huì)得到不斷推廣。

圖3 中國臺(tái)灣內(nèi)湖線預(yù)制蓋梁

圖4 迪拜軌道交通高架橋預(yù)制蓋梁

2 工程概況與接口連接構(gòu)造

2.1 工程概況

軌道交通橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制吊裝開口薄壁梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用T墩蓋梁，該線路沿著既有城市快速路的路中敷設(shè)，中央分隔帶4 m，設(shè)計(jì)采用T墩，蓋梁的寬度10.6 m。蓋梁現(xiàn)澆和預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)需要搭設(shè)支架，占用的道路寬度11.8 m左右，占用時(shí)間為15～20 d。為了減少下部結(jié)構(gòu)施工對(duì)既有路面交通的影響，該工程局部地段蓋梁采用預(yù)制吊裝的工法，如圖5所示。

圖5 上、下部橋梁構(gòu)造(單位:m)

2.2 接口連接構(gòu)造

預(yù)制蓋梁與墩柱接口構(gòu)造采用上下鋼板與鋼質(zhì)剪力榫嵌套相結(jié)合，并采用豎向預(yù)應(yīng)力及鋼板環(huán)形焊縫的連接方式。其中，上鋼板埋設(shè)于預(yù)制蓋梁內(nèi)，下鋼板埋設(shè)于現(xiàn)澆墩柱內(nèi)，上下鋼板間通過采用滲透角焊縫，將上下鋼板緊密結(jié)合，以抵抗靜載、活載及地震力作用下的偏心彎矩和剪力；上下鋼板與蓋梁和墩柱的連接，采用剪力釘?shù)腍型鋼分別與上下鋼板全滲透焊接，并利用剪力釘與混凝土充分結(jié)合，以保證傳力的順暢，再設(shè)置鋼筋分別與上下鋼板全滲透焊接，以增加上下鋼板與混凝土可靠連接的效果，防止鋼板與混凝土之間首先開裂。

預(yù)制蓋梁與橋墩之間，中央設(shè)置圓形剪力鋼箱，以承受水平剪力，該剪力鋼箱還可作為澆筑混凝土的通道，如圖6所示。

圖6 預(yù)制蓋梁接口構(gòu)造(單位：mm)

3 荷載控制工況和研究?jī)?nèi)容

3.1 荷載控制工況

軌道交通橋梁下部結(jié)構(gòu)的計(jì)算荷載，主要包括上部結(jié)構(gòu)自重、二期、活載、軌道力、地震力及施工荷載等[11]。本文預(yù)制蓋梁和墩柱的接口連接計(jì)算分析，分別選取了在運(yùn)營階段和施工階段的最不利荷載組合。施工階段的最不利荷載組合(組合1)為：吊裝單片梁荷載作用；運(yùn)營階段的最不利荷載組合(組合2)為：恒載+離心力+雙孔單列+橫向風(fēng)力+搖擺力，具體數(shù)值見表1。

表1 荷載控制工況

3.2 研究?jī)?nèi)容

預(yù)制蓋梁和墩柱之間由于其特殊的連接構(gòu)造，如何正確分析接口的受力狀態(tài)是研究的關(guān)鍵。根據(jù)接口構(gòu)造的特點(diǎn)，抓住關(guān)鍵因素，分別考慮了在施工和運(yùn)營兩種控制工況組合下，采用有限元軟件并結(jié)合規(guī)范及理論算法[12]進(jìn)行對(duì)比分析，主要分析了接口位置的環(huán)形焊縫[12]力學(xué)行為以及鋼板與混凝土連接的力學(xué)行為(混凝土的應(yīng)力狀態(tài)、裂縫開展形式以及鋼筋的應(yīng)力狀態(tài))，以達(dá)到驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全性的目的。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 環(huán)形焊縫連接力學(xué)分析

4.1.1 計(jì)算模型及邊界條件的建立

環(huán)形焊縫連接除采用較為熟知的環(huán)形焊縫公式[12]進(jìn)行計(jì)算外，還可借助有限元軟件(ANSYS、MIDAS)并考慮合理的邊界條件進(jìn)行力學(xué)行為對(duì)比分析，如下所述。

(1)接觸分析模型：預(yù)制蓋梁的上、下鋼板邊緣靠環(huán)形焊縫連接，焊縫承受拉壓荷載，而上、下鋼板中部相互接觸并未連接，因此除焊縫以外是只受壓而不能受拉的力學(xué)模式。ANSYS分析模型采用solid65單元來模擬；邊界條件模擬采用接觸單元，目標(biāo)面采用Target170單元，接觸面采用Conta173單元來模擬。Midas Civil分析模型中由于不能直接進(jìn)行接觸分析，因此結(jié)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為只保留結(jié)構(gòu)的上半部分進(jìn)行模擬簡(jiǎn)化，邊界條件可采用用節(jié)點(diǎn)彈性支承作為上鋼板的邊界條件來模擬只受壓不受拉的情況，從而替代接觸面，上下鋼板的連接焊縫考慮6個(gè)自由度全部約束的方式進(jìn)行模擬分析，如圖7所示。

圖7 接觸分析模型

(2)非接觸分析模型：考慮到施工過程中，由于施工精度及誤差難以完全保證上、下鋼板完全密貼，可能存在局部中空的情況，因此考慮只存在焊縫連接的極端情況進(jìn)行分析，因此ANSYS和MIDAS計(jì)算模型可只保留上半部分，邊界條件可采用將焊縫節(jié)點(diǎn)的六個(gè)自由度全部約束的方式進(jìn)行模擬分析，如圖8所示。

圖8 非接觸分析模型

4.1.2 力學(xué)分析結(jié)果

(1)接觸分析模型分析結(jié)果

ANSYS分析結(jié)果：施工工況，焊縫最大應(yīng)力24.1 MPa，焊縫最小應(yīng)力-1.4 MPa；運(yùn)營工況，焊縫最大應(yīng)力28.4 MPa，焊縫最小應(yīng)力-2.6 MPa，如圖9所示。

圖9 接觸分析模型ANSYS分析結(jié)果

MIDAS分析結(jié)果：施工工況，焊縫最大應(yīng)力21.0 MPa，焊縫最小應(yīng)力-1.4 MPa；運(yùn)營工況，焊縫最大應(yīng)力：24.6 MPa，焊縫最小應(yīng)力：-4.4 MPa，如圖10所示。

圖10 接觸分析模型MIDAS分析結(jié)果

(2)非接觸分析模型分析結(jié)果

ANSYS分析結(jié)果：施工工況，焊縫最大應(yīng)力49.4 MPa，焊縫最小應(yīng)力-14.9 MPa；運(yùn)營工況，焊縫最大應(yīng)力74.9 MPa，焊縫最小應(yīng)力-39.1 MPa，如圖11所示。

圖11 非接觸分析模型ANSYS分析結(jié)果

MIDAS分析結(jié)果：施工工況，焊縫最大應(yīng)力59.8 MPa，焊縫最小應(yīng)力-14.9 MPa；運(yùn)營工況，焊縫最大應(yīng)力75.5 MPa，焊縫最小應(yīng)力29.9 MPa，如圖12所示。

圖12 非接觸分析模型MIDAS分析結(jié)果

(3)小結(jié)(表2)

表2 Ansys、Midas、理論公式焊縫最大應(yīng)力

環(huán)形焊縫在不同的模型邊界條件，不同的荷載工況和不同的計(jì)算方法下進(jìn)行了詳盡的對(duì)比分析，從表2的對(duì)比分析可見，環(huán)形焊縫在運(yùn)營工況下受力狀態(tài)最不利，ANSYS和MIDAS兩種有限元的計(jì)算結(jié)果較為接近，ANSYS、MIDAS非接觸分析和理論公式的計(jì)算結(jié)果均比接觸分析的結(jié)果偏大，計(jì)算吻合的較好，均未超出規(guī)范容許值。

4.2 鋼板和混凝土的連接力學(xué)分析4.2.1 計(jì)算模型及邊界條件的建立

鋼板和混凝土靠近保護(hù)層的位置是受力最薄弱的部位，其抗裂主要依靠沿鋼板外緣分布的一圈螺紋鋼筋。為簡(jiǎn)化分析，鋼板和混凝土連接只考慮普通鋼筋的作用。本文除采用鐵路規(guī)范的容許應(yīng)力法計(jì)算外，在前述ANSYS有限元模型的基礎(chǔ)上建立鋼筋混凝土彈塑性模型進(jìn)行抗裂分析，把混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理，即混凝土和鋼筋各自被劃分為足夠小的單元，兩者的剛度矩陣是分開來求解的，考慮到鋼筋是一種細(xì)長(zhǎng)材料，通?？梢院雎云錂M向抗剪強(qiáng)度，因此可以將鋼筋作為線單元來模擬，在實(shí)體模型中通過劃分實(shí)體單元的方式，劃分出相應(yīng)的線單元來模擬鋼筋，并采用混凝土和鋼筋共節(jié)點(diǎn)的方式來模擬鋼筋和混凝土的連接，假設(shè)鋼筋和混凝土之間不發(fā)生滑移。在模型中混凝土采用solid65單元，該單元具有拉裂與壓碎的性能，可模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變；鋼筋單元采用具有拉壓性能的Link8單元，本單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能[13]；如圖13所示。

圖13 鋼筋單元模型

4.2.2 力學(xué)分析結(jié)果

控制工況下連接鋼板附近混凝土主應(yīng)力、裂縫開合(其中圓表示開裂，X表示裂縫閉合)分布情況以及混凝土、鋼筋應(yīng)力值分述如下。

(1) 施工工況

分析結(jié)果：混凝土最大壓應(yīng)力2.5 MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力37.2 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力101 MPa，裂縫主應(yīng)力分布，裂縫開合分布情況與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較為吻合，如圖14和圖15所示。

圖14 施工工況主應(yīng)力分布和裂縫開合分布

圖15 施工工況混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力

(2)運(yùn)營工況

分析結(jié)果：混凝土最大壓應(yīng)力2.4 MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力45 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力79.5 MPa，裂縫主應(yīng)力分布，裂縫開合分布情況與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較為吻合，如圖16和圖17所示。

圖16 運(yùn)營工況主應(yīng)力分布和裂縫開合分布

圖17 運(yùn)營工況混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力

(3) 小結(jié)(表3)

表3 Ansys和規(guī)范對(duì)比分析

從分析結(jié)果可見，ANSYS有限元分析和規(guī)范算法計(jì)算結(jié)果較為接近，主應(yīng)力和裂縫開合分布情況和實(shí)際理論計(jì)算情況較為吻合，均未超出規(guī)范容許值。

5 結(jié)語

通過運(yùn)用有限元軟件ANSYS、MIDAS、理論及規(guī)范算法，在兩種控制工況下對(duì)接口連接構(gòu)造的力學(xué)行為進(jìn)行了對(duì)比分析，主要結(jié)論如下。

(1)通過對(duì)焊縫連接的分析可知：無論接觸分析模型還是非接觸分析模型，ANSYS和MIDAS兩種軟件的計(jì)算分析結(jié)果均較為接近，可見只要正確建立模型和合理確定邊界條件，程序計(jì)算結(jié)果的差異性不大，MIDAS也可近似的模擬接觸分析；ANSYS和MIDAS非接觸分析模型的計(jì)算結(jié)果比接觸分析模型的計(jì)算結(jié)果偏大，且非接觸分析模型與理論公式的計(jì)算結(jié)果更為接近一些。建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合理論公式及非接觸分析模型進(jìn)行驗(yàn)證，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。

(2)通過對(duì)鋼板與混凝土的連接部位鋼筋應(yīng)力和鋼筋混凝土強(qiáng)度的計(jì)算對(duì)比分析研究結(jié)果可知：利用ANSYS建立鋼筋混凝土彈塑性模型進(jìn)行了抗裂分析，其鋼筋和混凝土的應(yīng)力、裂縫開合分布情況比規(guī)范的容許應(yīng)力法分析結(jié)果偏小但比較接近，從而論證了接口構(gòu)造連接方案的可靠性和安全性。

(3)通過兩種控制工況下對(duì)接口連接構(gòu)造力學(xué)行為的研究，為以后其他工程采用預(yù)制蓋梁具有很好的借鑒意義。

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Research on Structural Mechanics Behavior of Prefabricated Cap Beam of Rail Transit Bridge

ZHU Jun-qing

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co.， Ltd.， Beijing 100037， China)

The research of structural mechanics behavior of rail transit bridge prefabricated cap beam， is conducted based on finite element program ANSYS， MIDAS and specification theoretical algorithm， the mechanical behavior and computational modeling method of pier interface connection structure are addressed under two load conditions during construction and operation， and the calculation results under different boundary conditions are compared and analyzed. The results of the analysis in terms of circumferential weld stress of the interface parts， the stress of connection between steel plate and concrete reinforcement， and the concrete stress of the interface show that the connection scheme of the interface structure is of certain reliability and safety， meanwhile， the research process and theoretical analysis results may provide

for other engineering design and analysis．

Rail transit; Bridge; Prefabricated cap beam; Substructure; Circumferential weld

2015-02-11；

2015-03-02

朱君卿(1983—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：zhujunqing168@163.com。

1004-2954(2015)07-0100-05

U233； U448.13

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.022