基于某連續(xù)梁0號(hào)塊局部力學(xué)行為分析研究

蔡 東

(中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430023)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋是將主梁與橋墩臨時(shí)固結(jié)作為上部結(jié)構(gòu)懸臂施工的基礎(chǔ)，0號(hào)塊構(gòu)造與受力復(fù)雜，0號(hào)塊梁端具有梁體高、鋼筋分布密集等因素，導(dǎo)致 0號(hào)塊容易出現(xiàn)問(wèn)題，因此對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的空間局部應(yīng)力分析具有非常重要的意義[1-4]。本文以武漢一座跨越鐵路的連續(xù)梁橋?yàn)槔捎肕IDAS FEA有限元軟件對(duì)其箱梁 0 號(hào)塊梁段進(jìn)行了不同狀態(tài)下局部應(yīng)力分析，為本橋的結(jié)構(gòu)安全提供了可靠保證[5-10]。

1 工程概況

武漢四環(huán)線北段(90+150+90)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，自南向北依次上跨京廣上行客車線、京廣下行客車線、京廣下行貨車線、武漢北下行環(huán)發(fā)線。上部結(jié)構(gòu)采用(90+150+90)m變梁高連續(xù)箱梁，箱梁為單箱三室。箱梁頂寬42.9 m，底寬27 m，懸臂長(zhǎng)7.95 m。頂板厚25 cm，中腹板厚80～140 cm，邊腹板厚100～160 cm，支點(diǎn)位置腹板加厚。底板厚由跨中的28 cm按拋物線變化至中支點(diǎn)梁根部100 cm，中支點(diǎn)處加厚到150 cm。梁高按1.8次拋物線變化，端支座處及邊跨直線段和跨中處為3.5 m，中支點(diǎn)處梁高10 m。由于跨越鐵路，本橋施工采用2個(gè)71 m T構(gòu)轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體角度分別為87.47°、80.25°，轉(zhuǎn)體方向均為逆時(shí)針，轉(zhuǎn)體重量約3.3萬(wàn)t。轉(zhuǎn)體完成后，依次支架現(xiàn)澆端部18.92 m、中跨現(xiàn)澆段及合龍段8 m。由于本橋具有橋面寬(跨越鐵路處42.9 m)、跨徑大(150 m)等特點(diǎn)，為考慮降低轉(zhuǎn)體橋梁的墩位，采用非常規(guī)的大懸臂箱室，橫斷面如圖1所示。

圖1 橫斷面(單位：cm)

2 有限元模型

利用有限元仿真分析軟件MIDAS FEA建立空間實(shí)體單元模型，依據(jù)圣維南原理，待研究的關(guān)鍵節(jié)段的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)；而遠(yuǎn)離該關(guān)鍵節(jié)段區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其應(yīng)力分布影響很小甚至可以忽略不計(jì)。關(guān)鍵節(jié)段細(xì)部計(jì)算，將以研究節(jié)段本身及其相鄰的施工節(jié)段作為研究對(duì)象，其應(yīng)力分析精度滿足工程需要。本文選擇0號(hào)塊和跨中合攏段作為研究對(duì)象進(jìn)細(xì)部分析，有限元模型如果圖2所示。

圖2 有限元模型

考慮施工階段及成橋運(yùn)營(yíng)階段的影響，分別計(jì)算以下3種工況。

工況一：施工階段體系轉(zhuǎn)換階段(最不利工況)。

工況二：使用階段最不利彎矩效應(yīng)組合。

工況三：使用階段最不利剪力效應(yīng)組合。

根據(jù)不同的荷載工況，從整體模型中提取相應(yīng)截面的內(nèi)力施加于局部模型中剛性連接的主節(jié)點(diǎn)處，0號(hào)塊整體模型中提取的內(nèi)力情況見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)作用荷載表

3 計(jì)算結(jié)果

由于計(jì)算模型需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，例如預(yù)應(yīng)力鋼束以一條直線模擬，造成鋼束錨固端位置應(yīng)力集中；而在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，鋼束錨固處都通過(guò)墊板和鋼筋網(wǎng)避免應(yīng)力集中；支座位置通過(guò)鋼墊板及加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)避免應(yīng)力集中，故在計(jì)算云圖中那些鋼束錨固地方的應(yīng)力集中無(wú)須關(guān)注。通過(guò)有限元計(jì)算分析，可以計(jì)算出3種工況下該橋0號(hào)塊箱梁的縱向正應(yīng)力、主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由于篇幅現(xiàn)在，本文只給出工況一的應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 工況一作用下應(yīng)力云圖(單位：MPa)

4 結(jié)論及建議

由以上分析可知：

(1)3種工況下，0號(hào)塊整體應(yīng)力分布較均勻，零號(hào)塊頂板、橫隔板及中橫梁應(yīng)力較為集中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意相應(yīng)加強(qiáng)配筋。

(2)頂板：頂板厚度變化位置對(duì)頂板壓應(yīng)力影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)建議盡量增加頂板厚度變化段長(zhǎng)度，以改善頂板壓應(yīng)力偏大的狀況。

(3)橫隔板：據(jù)計(jì)算可知，隔板在與頂板、腹板交界位置，整個(gè)橫隔板外圈正應(yīng)力及主拉應(yīng)力較為集中，建議適當(dāng)加強(qiáng)倒角鋼筋即可。

(4)中橫梁：在箱室內(nèi)靠近頂板、外腹板處的中橫梁外表面，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為主拉應(yīng)力較大，故建議對(duì)中橫梁有條件可適當(dāng)布置豎向預(yù)應(yīng)力，以改善其主拉應(yīng)力偏大的問(wèn)題；同時(shí)，可加強(qiáng)中橫梁箍筋的配置，進(jìn)一步改善主拉應(yīng)力引起的混凝土表面開(kāi)裂問(wèn)題。

(5)中橫梁過(guò)人洞位置局部主拉應(yīng)力較為集中，此處需做好相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋。