矮墩式剛構(gòu)橋受力行為仿真分析

李英森

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，貴州 貴陽 550000)

矮墩式剛構(gòu)橋受力行為仿真分析

李英森

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，貴州 貴陽 550000)

結(jié)合清水江大橋?qū)嵗?，在簡述建模方法的基礎(chǔ)上，從溫度、基礎(chǔ)沉降、局部應(yīng)力三方面對橋梁受力行為進行仿真分析，并驗算了結(jié)構(gòu)強度及使用性能，得出本橋可行，存在局部應(yīng)力，但可采取措施予以有效處理的結(jié)論。

矮墩剛構(gòu)橋；受力行為；仿真分析

1 工程概況

清水江大橋位于為鐮刀灣至下司段，大橋跨越清水江，起點樁號KF6+870.922，終點樁號FK7+129.080。橋跨布置為65 m+110 m+65 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)，橋梁全長258.158 m，全橋處于直線段范圍，縱坡為1.009%。

2 基于有限元分析的受力行為計算模型

2.1 空間桿系計算模型

在運用梁格法對箱梁結(jié)構(gòu)實施模擬時，假設(shè)梁格網(wǎng)格處于上部結(jié)構(gòu)，所有縱向構(gòu)件均與同方向的腹板保持重合，此種布置形式可直接運用梁格剪力進行表達。橋梁上部結(jié)構(gòu)、承臺以及橋臺圓孔均運用梁單元進行模擬，而橋臺和樁則使用柱單元實施模擬，建模工具選用MIDAS/Civil。

2.2 全橋計算模型

為對橋臺和主體的連接區(qū)域進行詳細的應(yīng)力分析，并掌握應(yīng)力的具體分布情況，此次研究選用ANSYS軟件創(chuàng)建出了全橋的計算模型。其中，橋梁的上部結(jié)構(gòu)、承臺與樁基礎(chǔ)等部分通過軟件中的solid95單元完成模擬；而地基與樁基外側(cè)的摩擦力則通過軟件中的combin14單元完成模擬，等代土彈簧剛度通過相應(yīng)的動力計算得出，計算公式如下所示

Ks=a×bp×m×z

(1)

式中：a代表土層的實際厚度；bp代表此土層在與模型相互垂直的平面上的寬度；z代表土層的深度。

3 計算結(jié)果及評價

3.1 溫度影響分析

橋梁直接受到外界環(huán)境因素的影響，尤其是溫度的變化，晝夜溫差、日照時間等都會對橋梁的應(yīng)力情況造成影響，所以溫度影響分析十分重要。由于日照存在一定差異，所以橋梁會因此受到影響，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生縱向次應(yīng)力，與此同時，橋梁的寬度較大，在這種情況下，箱梁也會產(chǎn)生次應(yīng)力，但方向有所不同，箱梁上的次應(yīng)力為橫向的。在箱梁中，每單位長度的節(jié)段即為一個全閉合形式的框架結(jié)構(gòu)，在受到日照作用下，箱梁頂板的溫度會明顯高于側(cè)板，使得箱梁各面伸長量不同，而且在溫度條件下產(chǎn)生的變形還會受到腹板及底板的制約，導(dǎo)致箱梁四壁產(chǎn)生軸力，這對于橋梁的穩(wěn)定性而言，是較為不利的。以下為本橋梁經(jīng)歷的四種典型工況，分別為：橋梁上部結(jié)構(gòu)溫度提升20 ℃；橋梁上部結(jié)構(gòu)溫度下降20 ℃；不均勻溫升14 ℃以及不均勻溫降14 ℃。

主梁在受到溫度荷載影響下的彎矩應(yīng)力如表1所示。

表1 主梁在受到溫度荷載影響下的彎矩應(yīng)力

通過對溫度條件的進一步分析得知，溫度變化會對橋梁造成較大的影響，在排除其他影響因素的前提下，由溫度造成的拉應(yīng)力最大值可以達到1.05 MPa，雖然未超出設(shè)計限度，但為了從根本上防止開裂等問題的發(fā)生，還需在頂板處增設(shè)鋼筋網(wǎng)加固。

3.2 基礎(chǔ)沉降影響分析

在超靜定閉合結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)自身會由于基礎(chǔ)沉降等原因產(chǎn)生一定次內(nèi)力。特別是在地質(zhì)條件相對較差的情況下，這一現(xiàn)象將更加明顯，必須對此引起足夠的重視。此次研究就①號軸出現(xiàn)的沉降，對次內(nèi)力的產(chǎn)生及變化特點進行分析，該軸對應(yīng)樁基出現(xiàn)約5 mm的沉降，計算軟件選用ANSYS。

由計算結(jié)果可知，在基礎(chǔ)沉降條件下，頂板及底板應(yīng)力均保持在-0.8～0.8 MPa范圍內(nèi)，與此同時，上部結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力通常出現(xiàn)在墩臺之間，最大值可以達到1.06 MPa。根據(jù)這一特點可斷定橋墩與承臺之間的銜接是一個十分薄弱的環(huán)節(jié)。對此，可采取配筋與改造等方式進行處理，也可以對墩底的截面進行加寬，以此消除基礎(chǔ)沉降對橋梁造成的不利影響。

3.3 矮墩局部應(yīng)力影響分析

對于單跨剛構(gòu)橋而言，其在結(jié)構(gòu)上的主要特點為角藕節(jié)點，其通常出現(xiàn)在主梁與立柱的連接位置。此節(jié)點需要承受極大的彎矩，確保跨中的正彎矩滿足卸載條件。此外，本橋還使用雙肢薄壁墩，并在墩上進行等距開孔，這樣可能造成應(yīng)力集中等問題。基于此，以ANSYS為工具進行全橋建模，重點探究恒載條件下的應(yīng)力變化。

由具體的應(yīng)力分布情況可知，圓孔周圍實際拉應(yīng)力均保持在0.5 MPa左右，但主梁上的箱形截面頂板和墩身銜接處，拉應(yīng)力遠大于0.5 MPa，為1.26 MPa左右，通過以上分析得知，此部分最大自然應(yīng)力不會超過0.7 MPa，因此，此處角藕節(jié)點受力超限，必須及時采取有效措施，否則將出現(xiàn)開裂等問題，威脅施工安全。

3.4 上部結(jié)構(gòu)強度與性能驗算

為對橋梁上部結(jié)構(gòu)強度和性能進行分析驗算，需借助有限元分析，根據(jù)橋梁的實際情況，創(chuàng)建橋梁結(jié)構(gòu)的空間梁格模型，分別算出主橋不同條件下的內(nèi)力，以內(nèi)力與配筋作為基準核算橋梁上部結(jié)構(gòu)強度。當結(jié)構(gòu)處于承載的極限狀態(tài)時，橋梁抗彎強度、抗剪強度等均符合標準要求，且在相應(yīng)的狀態(tài)下，構(gòu)件裂縫的最大寬度為0.14 mm，基本滿足規(guī)定。

4 結(jié)束語

通過對本矮墩剛構(gòu)橋的受力行為分析可知，此橋可行，穩(wěn)定性較好。但存在局部應(yīng)力的情況，所以應(yīng)針對產(chǎn)生局部應(yīng)力的位置采取適宜的措施進行處理，同時考慮構(gòu)造與配筋等方面的問題，確保此橋發(fā)揮最佳使用性能。

[1] 張士金,張俊平,劉愛榮. 矮墩式剛構(gòu)橋受力行為仿真分析[J]. 廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,(2):82-85.

[2] 李偉強. 某單孔雙薄壁矮墩剛構(gòu)橋的受力行為分析[J].特種結(jié)構(gòu),2010,(2):81-83.

[3] 曹淑上,江建斌,張永水,張明強,馬愛霞. 少聯(lián)大跨徑連續(xù)-剛構(gòu)組合橋的受力分析及合龍順序探討[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù),2006,(6):34-37.

2016-09-06

李英森(1984-)，男，貴州盤縣人，工程師，主要從事橋涵設(shè)計工作。

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