某連續(xù)剛構(gòu)橋梁單元靜力數(shù)值分析

張　立

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

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某連續(xù)剛構(gòu)橋梁單元靜力數(shù)值分析

張立

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

以某連續(xù)鋼筋混凝土剛構(gòu)橋工程為背景，采用MIDAS有限元數(shù)值計算軟件，對該橋的全體梁單元的靜力情況進(jìn)行分析.分析表明，全橋的內(nèi)力分布規(guī)律及應(yīng)力分布規(guī)律均滿足于設(shè)計規(guī)定要求，并且符合剛構(gòu)橋受力分布一般規(guī)律.研究結(jié)果為橋梁設(shè)計階段的橋梁空間受力分析提供了數(shù)據(jù)支撐和設(shè)計依據(jù).

連續(xù)剛構(gòu)橋；主梁；內(nèi)力；應(yīng)力；數(shù)值分析

鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋由于其具有獨特的優(yōu)勢，在近幾十年中被廣泛應(yīng)用于公路橋梁的建設(shè)中，也因此成為了具有相當(dāng)競爭力的主要橋型之一[1-3].鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁一般為變截面箱梁，這種箱梁截面能夠承受較大的抗扭能力和正負(fù)彎矩，而且自身剛度較大.但由于在橋梁施工和運營維護(hù)管理中，存在一些不能完全避免的問題，影響整個橋梁的結(jié)構(gòu)的全壽命周期[4-7].

因此，在設(shè)計和施工階段需要對連續(xù)剛構(gòu)橋的受力設(shè)計計算開展研究.通常我國采用平面桿系計算方法對混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行設(shè)計計算，同時結(jié)合有限元數(shù)值計算方法對梁單元進(jìn)行受力模擬分析[8,9].其結(jié)果能夠直觀有效地看出剛構(gòu)橋在施工階段及運營階段的受力情況，并且能夠準(zhǔn)確地模擬各種不利荷載組合下，全橋梁體單元的受力性能，為設(shè)計及施工提供有力的基礎(chǔ)依據(jù).

本文以某連續(xù)鋼筋混凝土剛構(gòu)橋工程為背景，采用MIDAS有限元數(shù)值計算軟件，對該橋的全體梁單元的靜力情況進(jìn)行分析，為橋梁的設(shè)計階段的橋梁空間受力分析提供了數(shù)據(jù)支撐和設(shè)計依據(jù).

1　工程背景

1.1工程簡介

本文結(jié)合某公路大跨度鋼筋混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計工程，大橋的平面布置如圖1所示.橋梁結(jié)構(gòu)類型為55m+2×100m+55m的鋼筋混凝連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面凈寬為33.5m(包含兩側(cè)防護(hù)欄共1.0m，兩側(cè)行車道共30.5m，中央分隔帶2.0m)，設(shè)計車速為100km/h，車輛荷載等級標(biāo)準(zhǔn)采用公路-Ⅰ級.

橋梁主梁截面形式采用變截面單箱單室箱梁形式，梁高的變化隨拋物線變化，0號塊主梁高度為6.0m，跨中梁高為2.6m，箱梁頂板寬度為16.65m，厚度為0.32m.底板厚度從根部的0.8m按照拋物線變化至跨中截面的0.32m，腹板厚度采用0.55m和0.7m兩種形式，橋墩上部范圍內(nèi)的箱梁頂板厚度為0.5m，底板厚度為1.1m，腹板厚度為0.9m.下部結(jié)構(gòu)采用雙薄壁空心墩、樁基礎(chǔ).主梁的0號塊斷面圖和一般斷面圖分別如圖2、圖3所示，圖上單位均為cm.

圖1　橋梁平面布置圖(單位：m)

圖2　0號塊斷面示意圖

圖3　一般斷面示意圖

1.2材料性質(zhì)

該橋梁的樁基礎(chǔ)、底系梁以及引橋承臺均采用C25標(biāo)號混凝土，引橋橋墩、蓋梁、耳背墻、主橋承臺均采用C30標(biāo)號混凝土，主橋橋墩墩身采用C40標(biāo)號混凝土，上部結(jié)構(gòu)箱梁及橋面采用C50標(biāo)號混凝土.

剛構(gòu)橋的主橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束主要采用22Φs15.20和19Φs15.20型號的鋼絞線，對應(yīng)的錨具分別采用OVM15-22及OVM15-19.鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為σcon=1395MPa.主橋橫向預(yù)應(yīng)力鋼束主要采用3Φs15.20型號的鋼絞線，布置間距為50cm，采用BM15-3錨具，進(jìn)行單端交叉張拉，鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為σcon=1395MPa.主橋的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用JL32高強精軋螺紋鋼，進(jìn)行單端張拉，張拉控制力為560kN.均采用預(yù)埋的塑料波紋管作為預(yù)應(yīng)力管道，各型號鋼筋及鋼板性能均滿足規(guī)范規(guī)定的要求.

2　建立全橋模型

2.1模型建立

MIDAS/Civil有限元軟件具有強大的三維仿真計算能力.本文采用空間有限元中的梁單元對連續(xù)剛構(gòu)橋構(gòu)建模型.橋梁總共包含220個節(jié)點，212個單元，主要包括橋墩結(jié)構(gòu)、主梁結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力鋼束結(jié)構(gòu)單元.依據(jù)單元劃分的基本原則，將每一段施工塊劃為一個獨立的單元，同時對0號塊及跨中合攏段單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，在關(guān)鍵的截面處進(jìn)行單元分界線的設(shè)置.全橋的有限元三維模型如圖4所示.

圖4　全橋的有限元三維模型

2.2材料參數(shù)設(shè)置

橋墩墩身及主梁結(jié)構(gòu)混凝土分別為C40和C50標(biāo)號混凝土，其主要性能指標(biāo)如表1所示.此外，混凝土的容重為25.0kN/m3，混凝土的泊松比為0.2，混凝土的線膨脹系數(shù)為0.00001℃.

表1　混凝土主要指標(biāo)參數(shù)

剛構(gòu)橋的主橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束主要采用22Φs15.20型號的鋼絞線，其主要性能指標(biāo)如表2所示.

表2　鋼絞線的主要指標(biāo)參數(shù)

2.3邊界及加載條件

邊界條件的設(shè)置：為了與實際情況相同，橋墩底部采取各向剛性固定方式，墩身頂部與箱梁連接部位采取彈性連接剛性的方式，橋臺部位的主梁下方采取縱向滑移彈性支座方式.

加載條件：該連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诖罂鐝綐蛄海瑫r主梁斷面為變截面單箱單室箱梁，因而在進(jìn)行橋梁計算分析時，應(yīng)該重點考慮橋梁自重應(yīng)力、外荷載以及溫度效應(yīng)的影響.恒載主要為結(jié)構(gòu)自重，按容重計算為325kN/m；二期荷載作用按照局部荷載來布置；主梁部位的橫隔板及加勁梁的荷載作用，軟件采用等效的集中荷載作用到相應(yīng)部位.

3　結(jié)果分析

3.1荷載組合

施工過程中的荷載主要有恒載、鋼束張拉引力引起的荷載、結(jié)構(gòu)超靜定引起鋼束張拉作用產(chǎn)生附加荷載、收縮與徐變引起的荷載、結(jié)構(gòu)超靜定引起鋼束收縮與徐變作用的附加荷載、橋梁結(jié)構(gòu)由于溫度變化引起的溫度效應(yīng)荷載.

在MIDAS軟件中，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)要求，可考慮整體降溫及溫度梯度效應(yīng)的影響對荷載進(jìn)行組合.本文采用承載力的極限狀態(tài)基本組合，來分析橋梁整體的內(nèi)部應(yīng)力分布情況；采用正常使用極限狀態(tài)短期荷載作用組合，來分析橋梁整體應(yīng)力部分情況.荷載組合情況及相應(yīng)系數(shù)取值見表3.

表3　承載能力極限狀態(tài)的荷載及系數(shù)

表4　正常使用極限狀態(tài)的荷載組合及系數(shù)

注：表4中的活載為不考慮沖擊系數(shù)的活載，即系數(shù)大小為0.6667.

3.2主梁內(nèi)力分布情況

主梁的正彎矩的最大值位于跨中截面位置，負(fù)彎矩的最大值位于橋墩頂面位置，彎矩圖整體呈拋物線曲線形狀，計算結(jié)果符合混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的分布規(guī)律.此外，56號預(yù)應(yīng)力混凝土單元的正彎矩最大，大小為2.78×104kN·m，比設(shè)計彎矩值小(設(shè)計彎矩值為1.82×105kN·m)，73號預(yù)應(yīng)力混凝土單元的負(fù)彎矩最大，大小為2.35×105kN·m，小于設(shè)計彎矩值(1.16×106kN·m)，均滿足于設(shè)計要求.

主梁剪應(yīng)力的最大值位于墩頂截面位置，為4.38×104kN，剪力變化呈線性變化規(guī)律，符合剛構(gòu)橋剪力分布的一般規(guī)律.還可看出，剪力分布最不利位置位于墩頂位置，因此，在墩頂0號塊位置需要配備足夠的抗剪鋼筋，從而達(dá)到墩頂截面的抗剪強度要求.

3.3主梁應(yīng)力分布情況

為分析大跨度混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在正常使用極限狀態(tài)下短期荷載組合效應(yīng)的應(yīng)力分布情況，通過有限元軟件，得到了全橋主梁上緣正應(yīng)力及下緣正應(yīng)力.全橋主梁上緣跨中壓應(yīng)力最大，為-16.5MPa，位于56-57號單元之間.跨中之外的部分壓應(yīng)力相對均勻分布，應(yīng)力大小在-3.7-16.5MPa范圍內(nèi).全橋主梁下緣跨中的壓應(yīng)力最小，為-1.4.MPa，位于56-57號單元之間，下緣墩頂位置的的壓應(yīng)力最大，為-16.8MPa，位于74-75號單元之間.上述變化表明，在正常使用極限狀態(tài)短期荷載組合作用下全橋梁單元沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力，應(yīng)力分布較為均勻且滿足規(guī)范及設(shè)計要求.

4　結(jié)論

本文采用MADIS/Civil有限元數(shù)值計算軟件，結(jié)合混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的實際情況，采用合理的材料參數(shù)、邊界條件、荷載組合情況對橋梁全橋的主梁單元在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下主梁單元的內(nèi)力及應(yīng)力分布進(jìn)行了分析.全橋單元桿系的計算結(jié)果表明，全橋的內(nèi)力分布規(guī)律及應(yīng)力分布規(guī)律均滿足于設(shè)計規(guī)定要求，并且符合剛構(gòu)橋受力分布一般規(guī)律.但是研究結(jié)果只是較為簡單地考慮了全橋主梁上下緣應(yīng)力分布情況，沒有精細(xì)考慮到局部特殊截面(如腹板內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨固點等)的正應(yīng)力分布.研究結(jié)果為該橋的空間受力分析提供了數(shù)據(jù)支撐，為該橋的設(shè)計及施工施工提供了理論支持.

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(責(zé)任編校：晴川)

Static Numerical Analysis of a Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Li

(Shanxi Traffic Science Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China)

In this paper, with a continuous reinforced concrete rigid frame bridge project as the background, MIDAS finite element numerical calculation software is used to analyze the static situation of the whole beam element of the bridge. The analysis shows that the internal force distribution and the stress distribution of the whole bridge are satisfied with the design requirements, and conform to the general law of the stress distribution of rigid frame bridge. The research results provide the data support and design basis for the spatial analysis of the bridge in the design stage of the bridge.

continuous rigid frame bridge; main beam; internal force; stress; numerical analysis

2016-03-29

張立(1986— )，男，陜西丹鳳人，山西省交通科學(xué)研究院工程師.研究方向：道路橋梁工程設(shè)計.

U442.5

A

1008-4681(2016)05-0026-03