大跨徑連續(xù)梁橋0 號塊溫度荷載下應(yīng)力分析

丁偉亮 廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510010

某大跨度連續(xù)梁橋跨徑組合為:45 +78 +150 +78 +45=396m，上部結(jié)構(gòu)采用分幅的變截面箱形梁，單幅橋的橋?qū)挒?4.5m，截面形式為單箱單室箱截面，支點(diǎn)處截面梁高為8.8 米，跨中截面梁高為3.9 米，中間按多次拋物線進(jìn)行變化。箱梁懸臂長度為3.5 米，箱室寬度為5.7米，支點(diǎn)截面頂板厚度為28 厘米，底板厚度為70 厘米，腹板厚度為90厘米。由于該橋跨徑較大，加上橋面比較寬，懸臂比較大，其0#塊受力比較復(fù)雜。

大跨度橋梁比較顯著的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)截面尺寸大，底板和腹部都比較厚。采用懸臂澆筑施工的此類大跨度橋梁的0 號塊受力比較復(fù)雜，為了確保整個大橋的設(shè)計和施工安全，加快其施工進(jìn)度，對該類橋梁0#塊進(jìn)行空間應(yīng)力分析，以了解0 號塊的應(yīng)力分布規(guī)律是有必要的。

1 有限元模型的建立

本文的空間有限元模型采用大型通用有限元分析軟件ANSYS 建立，全橋平面有限元模型采用MIDAS/Civil2006 有限元軟件建立。ANSYS 軟件具有功能強(qiáng)大的前、后處理器與求解器和先進(jìn)的非線性求解功能，可以處理混凝土梁中配置鋼筋、混凝土的開裂和壓潰等比較復(fù)雜的問題，用于進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析非常方便。

本文的0 號塊有限元分析，主要用到ANSYS 的線單元和塊單元兩種類型:LINK8 和SOLID95。三維結(jié)構(gòu)線單元LINK8 用于模擬鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束的受力情況;三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID95 單元具有蠕變、塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、膨脹、大變形和大應(yīng)變能力，可以施加本文研究所需要的體荷載溫度和表面荷載，本文采用SOLID95 單元用于模擬混凝土。由于本文采用懸臂澆筑施工的工程對象左右幅完全對稱，因此只取單幅橋梁進(jìn)行分析。嚴(yán)格來說，0 號塊的應(yīng)力狀態(tài)與整個橋梁結(jié)構(gòu)的各個部分都是相互聯(lián)系的，要分析清楚0 號塊的應(yīng)力狀態(tài)，就需要將全橋結(jié)構(gòu)劃分為三維實(shí)體單元進(jìn)行空間應(yīng)力分析。通過圣維南原理知道，0號塊的應(yīng)力分布只與其相關(guān)聯(lián)的附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān);而對于遠(yuǎn)離0 號塊區(qū)域中的應(yīng)力分布，其對0 號塊的應(yīng)力影響很小且可以忽略不計。因此可以將連續(xù)梁橋的0 號塊和與其相鄰的兩個1 號塊一起建立一個空間實(shí)體子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析研究，其應(yīng)力分析精度可滿足工程設(shè)計要求。

在建立0 號塊的ANSYS 空間有限元模型之前，先用MIDAS/Civil2006 有限元軟件建立全橋單梁模型對橋梁各施工階段作總體內(nèi)力計算，計算出各施工階段1 號塊前端截面的彎矩、軸力和剪力等內(nèi)力，然后根據(jù)虛位移原理將截面的彎矩、剪力和軸力等內(nèi)力等效為截面處各單元表面的分布面力和各個節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)荷載;再利用空間有限元軟件ANSYS，建立0 號塊結(jié)構(gòu)的空間實(shí)體模型進(jìn)行應(yīng)力分析。0 號塊空間計算模型把整個研究對象離散為有限元網(wǎng)格。模型共分為86742 個三維等參數(shù)實(shí)體單元和123132 個節(jié)點(diǎn)，混凝土和鋼絞線的連接通過鋼絞線節(jié)點(diǎn)與鄰近混凝土節(jié)點(diǎn)的耦合來實(shí)現(xiàn)。

圖1 支點(diǎn)處截面

圖2 0 號塊結(jié)構(gòu)縱向平面圖

2 計算結(jié)果及分析

本文主要分析大跨度橋梁0 號塊在成橋階段荷載(自重、二期恒載、收縮徐變和預(yù)應(yīng)力)和溫度荷載作用下，其應(yīng)力分布情況和剪力滯效應(yīng)。剪力滯效應(yīng)通常采用剪力滯系數(shù)來衡量，剪力滯系數(shù)的定義:λ=考慮剪力滯效應(yīng)的法向應(yīng)力/按初等梁理論計算的法向應(yīng)力。

圖3 A-A 截面縱向應(yīng)力圖

圖4 B-B 截面縱向應(yīng)力圖

成橋階段溫度荷載作用下0 號塊頂板和腹板都受壓，其最大壓應(yīng)力為9.3MPa，橫隔板的人洞頂部和底板受拉，最大拉應(yīng)力為1.35Mpa;A-A 截面頂板的最大剪力滯系數(shù)為1.03，底板最大的剪力滯系數(shù)為1.06，頂、底板最大應(yīng)力均出現(xiàn)在腹板和截面下緣處，剪力滯系數(shù)按常態(tài)分布。B-B 截面頂板最大的剪力滯系數(shù)為1.19，底板最大的剪力滯系數(shù)為1.12，其頂板最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂板的端部，底板最大應(yīng)力出現(xiàn)在截面腹板下緣處，頂板截面應(yīng)力和剪力滯分布均有異于常態(tài)，由于人洞的影響，截面底板應(yīng)力及剪力滯系數(shù)均按常態(tài)分布，頂板最大應(yīng)力大于按初等梁理論的計算值約20%，剪力滯效應(yīng)比較明顯。

圖5 A-A 截面頂板剪力滯系數(shù)橫向分布圖

圖6 A-A 截面底板剪力滯系數(shù)橫向分布圖

圖7 B-B 截面頂板剪力滯系數(shù)橫向分布圖

圖8 B-B 截面底板剪力滯系數(shù)橫向分布圖

3 結(jié)語

大跨度橋梁0 號塊受力比較復(fù)雜，其剪力滯后效應(yīng)是一個不容忽視的問題，尤其是0 號塊截面的頂板剪力滯后效應(yīng)比較明顯。0 號塊因?yàn)榛炷恋臐仓w積比較大，施工時應(yīng)該采取措施降低其水化熱效應(yīng)，要對其溫度應(yīng)力進(jìn)行控制。對0 號塊頂板上緣、底板下緣、預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)、橫隔板與腹板相結(jié)合的部位以及橫隔板人洞周圍等容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和裂縫的薄弱部位，需要配置足夠的防裂構(gòu)造鋼筋。箱梁的剪力滯效應(yīng)是一個復(fù)雜的問題，其隨荷載作用模式的不同而不同，本文主要對0 號塊在其恒載和溫度作用下的剪力滯系數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行了研究，可供類似工程項(xiàng)目的設(shè)計與施工提供參考。

［1］張士鐸.橋梁設(shè)計理論［M］.北京:人民交通出版社，1984:1-68.

［2］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1999:1-50.

［3］程翔云，羅旗幟.箱梁在壓彎荷載共同作用下的剪力滯［J］.土木工程學(xué)報，1991，20(5):52-64.

［4］唐懷平，唐達(dá)培.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)箱梁剪力滯效應(yīng)分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2001，36(6):617-619.

［5］劉濤.精通ANSYS［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001:1-210.