鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊力學(xué)特性研究

劉耀東，曹紅焱，余天慶

鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊力學(xué)特性研究

劉耀東，曹紅焱，余天慶

（湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430068）

鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋0＃塊是橋梁下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間重要的連接部件，0＃塊受力復(fù)雜，施工難度大。對(duì)0＃塊施工過程中的力學(xué)特性進(jìn)行研究能確保上部結(jié)構(gòu)施工安全及線形準(zhǔn)確。采用Midas有限元程序?qū)?＃號(hào)塊進(jìn)行空間模擬仿真分析是了解結(jié)構(gòu)整體力學(xué)特性和局部受力特征的重要手段。

連續(xù)剛構(gòu)；0＃塊；有限元仿真分析；力學(xué)特性

鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋0＃塊在上部結(jié)構(gòu)施工過程中受力復(fù)雜多變，是保證全橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全的關(guān)鍵部位。本文以某大橋輔航道橋?yàn)槔?，通過有限元軟件Midas對(duì)0＃塊整體和局部的受力情況進(jìn)行分析探討。確定出應(yīng)力分布不利位置，得出應(yīng)力計(jì)算值，為橋梁的施工提供理論依據(jù)。

1 工程簡(jiǎn)介

某大橋輔助通航橋?yàn)?0m＋70m連續(xù)剛構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力。0＃塊梁長(zhǎng)12 m，頂板寬20.9m，中心位置梁高6m，梁底為2次拋物線。0＃塊底板墩身范圍內(nèi)4m為直線段，左右對(duì)稱方向?yàn)樽儗挾巍６丈頇M橋向?qū)捰谙淞旱装?，兩端延伸至箱梁腹板位置。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

2 有限元模型的建立

0＃塊在縱橋向基于支座中心線對(duì)稱，采用有限元Midas／Civil軟件，不考慮平彎和縱坡進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，建立0＃塊整體模型。根據(jù)圣維南原理，在計(jì)算模型邊界處和0＃塊端面設(shè)置一段60cm的過渡區(qū)域，將模型中0＃塊邊界處實(shí)際受力等效代換成端面均布受力，遠(yuǎn)離0＃塊區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)0＃塊的應(yīng)力分布影響極小不予考慮，所以研究結(jié)果以0＃塊計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。施工過程中，0＃塊和1＃塊作為一個(gè)整體同時(shí)對(duì)稱澆筑成型，故將0＃塊和1＃塊區(qū)域的1／2模型作為有限元建模對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件Midas／FEA考慮箱梁2%的橫坡影響，結(jié)合結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性原理，建立橫橋方向剖面區(qū)域模型。

圖1 0＃塊結(jié)構(gòu)圖

2.1 Midas／Civil的模型的建立

Midas／Civil中的桿系單元具有建模迅速、計(jì)算準(zhǔn)確的特點(diǎn)，0＃塊所在的主梁模型總共運(yùn)用了49個(gè)桿系梁?jiǎn)卧M，主梁桿系單元的截面可以通過程序內(nèi)置的設(shè)計(jì)截面中箱梁截面特性功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過在程序中輸入頂板、底板和腹板相應(yīng)的各項(xiàng)尺寸參數(shù)即可，對(duì)于主梁?jiǎn)卧乜v向函數(shù)變化的截面位置采用變截面組分割單元，橋墩采用一般支撐模擬，橋墩和橋梁上部結(jié)構(gòu)采用剛性連接模擬，邊跨現(xiàn)澆部分鉸支座只承受壓應(yīng)力，故模擬采用一般支撐。Midas／Civil主梁桿系單元模型見圖2。

圖2 0＃塊整體模型

2.2 Midas／FEA模型的建立

Midas／FEA可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)細(xì)部的非線性有限元分析。以0＃塊區(qū)域的橫隔板和墩梁固結(jié)處、腹板和底板的連接區(qū)域，橫隔板與底板連接的倒角處作為研究對(duì)象［2］，建模過程中考慮預(yù)應(yīng)力張拉的控制及預(yù)應(yīng)力松弛和摩阻的損失［3］。采用鋼筋單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼筋，實(shí)體單元模擬混凝土，橋梁的縱向結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧獊砟M，模擬結(jié)果見圖3。

圖3 0＃塊局部模型

3 0＃塊整體受力分析

有限元計(jì)算表明，0＃塊在最不利荷載組合（自重＋溫度荷載＋基礎(chǔ)沉降＋掛籃荷載）作用下，順橋向正應(yīng)力見圖4。可以看出，0＃塊整體呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，橋墩與底板下緣的連接處承受壓應(yīng)力最大的地方為9.6MPa，其它區(qū)域的壓應(yīng)力均在1.1～9.6 MPa之間，.截面位移Dx＝2.258mm，Dz＝19.021 mm，Ry＝－0.0007rad，受力情況Fx＝303 562.1 kN，F(xiàn)z＝－20 257.8kN，My＝9689.26kN·m，均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

可以看出，Midas／Civil的分析僅限于結(jié)構(gòu)整體受力情況，對(duì)類似箱梁底板與橫隔板連接的倒角處等一些細(xì)部區(qū)域的分析則必須借助Midas／FEA。

圖4 整體應(yīng)力云圖

4 0＃塊的局部受力分析

Midas／FEA對(duì)零號(hào)塊進(jìn)行局部受力分析，主要是分析研究零號(hào)塊橫隔板和墩梁固結(jié)處，橫隔板與底板連接的倒角處，腹板和底板連接區(qū)域的受力情況。不考慮橋墩的受力變化情況，用鉸接約束代替了橋墩的作用。Civil模型中移動(dòng)荷載追蹤器追蹤到最不利加載位置，0＃塊底部與墩底處，出現(xiàn)最大彎矩（表1）。

表1 墩頂處主梁局部模型邊界條件最大負(fù)彎矩

從整體模型中提取最不利加載位置處內(nèi)力，依據(jù)圣維南原理，在0＃塊端截面節(jié)點(diǎn)施加等效荷載，考慮單元坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系存在夾角，把荷載值由單元坐標(biāo)系等效換算成整體坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)以下三種荷載工況考慮。

施工階段的荷載組合。

工況一：施工階段的最不利彎矩效應(yīng)組合內(nèi)力值；

工況二：施工階段最不利剪力效應(yīng)組合內(nèi)力值，正應(yīng)力荷載組合；

工況三：考慮0.8倍的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)折減系數(shù)后，使用階段最不利彎矩效應(yīng)組合內(nèi)力值。

作用荷載取值均在設(shè)計(jì)與規(guī)范的允許范圍之內(nèi)（表2）。

表2 荷載取值

本文僅給出施工階段最不利剪應(yīng)力組合內(nèi)力值，縱向剖切面圖能較清晰的顯示內(nèi)部應(yīng)力分布情況（圖5）。

圖5 施工階段局部應(yīng)力云圖

從圖5中可以看出，0＃塊頂板表面處均處于受壓狀態(tài)，最大主壓應(yīng)力12.45MPa，其分布情況與最小主應(yīng)力分布情況基本一致。在三向正應(yīng)力中，縱向應(yīng)力為主要應(yīng)力。0＃塊絕大部分的剪應(yīng)力在1.50～－3.28MPa之間，在荷載作用下，0＃塊變形不大，均在設(shè)計(jì)和規(guī)范范圍之內(nèi)。

橫隔板最大主拉應(yīng)力0.375MPa，最大主壓應(yīng)力0.571MPa橫隔板處應(yīng)力變化不大，分布均勻，豎向應(yīng)力較小。對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大。橫隔板與腹板上方的頂板出現(xiàn)壓應(yīng)力。其最大拉應(yīng)力位置與橫向正應(yīng)力數(shù)值表現(xiàn)一致，說明橫向正應(yīng)力是影響最大主應(yīng)力的主要因素。底板最大主拉應(yīng)力0.34MPa，最大主壓應(yīng)力7.70MPa，橫隔板與底板連接的倒角處有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，集中區(qū)域較小，最大應(yīng)力值不大于－7.8MPa，不影響橫隔板和底板的使用功能，橫隔板和墩部呈現(xiàn)低應(yīng)力區(qū)域，對(duì)0＃塊結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計(jì)。

縱橋向，腹板處于受壓狀態(tài)，縱向應(yīng)力與混凝土板縱向應(yīng)力分布相同，腹板與底板連接處，腹板最大主拉應(yīng)力0.24MPa，最大主壓應(yīng)力11.43MPa。在設(shè)計(jì)和國(guó)家規(guī)范要求范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論及建議

鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋0＃塊采用有限元軟件Midas／Civil和Midas／FEA進(jìn)行仿真的結(jié)果表明，0＃塊在最大懸臂狀態(tài)下整體受壓，局部出現(xiàn)不超過0.571MPa的拉應(yīng)力。支座邊緣處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，橫隔板內(nèi)側(cè)、底板底面以及腹板內(nèi)側(cè)面交接處局部有橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)。壓應(yīng)力基本上都處于混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，并有足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。采用Midas兩種不同軟件分析不僅可以考慮0＃塊在不同荷載工況下，整體受力和局部受力情況，還可以準(zhǔn)確地模擬計(jì)算施工階段的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)局部變形的影響。通過對(duì)0＃塊進(jìn)行空間分析，得到了應(yīng)力分布規(guī)律，并針對(duì)薄弱區(qū)域提供以下解決措施。

1）應(yīng)在頂板拉應(yīng)力較大區(qū)域和頂板橫橋方向布置橫向預(yù)應(yīng)力。

2）橫隔板施工過程中，防止橫隔板局部區(qū)域應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋，橫隔板陰角處可設(shè)置鋼板或者鋼筋網(wǎng)片等整改措施，

3）橫隔板與底板倒角外側(cè)區(qū)域通過加密加粗普通鋼筋來承擔(dān)高壓狀態(tài)混凝土過大的主應(yīng)力。

［1］ 寧舟，李傳習(xí)，歐見人.變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋0＃塊空間應(yīng)力分析［J］.交通公路技術(shù)，2013，2（1）：43－45.

［2］ 魏俊.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋0＃塊空間應(yīng)力狀態(tài)分析研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

［3］ 王子強(qiáng).矮塔斜拉橋0?？臻g應(yīng)力測(cè)試與分析［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2014.

［4］ 吳用賢.某大跨PC連續(xù)梁橋零號(hào)塊實(shí)體分析［J］山西建筑，2010，12（36）：329－330.

［5］ 張曉雷.龍華松花江特大橋0＃塊空間應(yīng)力分析［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

The Stress Analysis of Block Zero of Continuous Rigid Frame Bridge Concrete

LIU Yaodong，CAO Hongyan，YU Tianqing
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Reinforced concrete continuous rigid frame 0＃block is an important connection between the components of bridge substructure and superstructure.0＃block is forced complex and difficult in construction.The mechanical properties of 0＃block of the construction process are studied to ensure the safety and superstructure construction linear and accurate.Using finite element program midas is important means of spatial simulation analysis that is to understand the whole structure and mechanical properties of the local force characteristics of the 0＃block.

continuous rigid；zero block；finite element analysis；mechanical properties

U44

A

［責(zé)任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0111－04

2016－04－19

劉耀東（1969－），男，山東滕州人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)闃蛄汗こ?/p>