單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁超載作用下的扭轉(zhuǎn)損傷性能研究

陳星燁 李彥超

摘 要：為了研究單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁超載作用下扭轉(zhuǎn)對(duì)損傷的影響，本文以臨海大橋?yàn)楣こ瘫尘埃肁BAQUS建立混凝土塑性損傷模型，通過(guò)逐級(jí)加載進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。結(jié)果顯示，正常偏載或均載作用下的單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁都能夠正常工作;加載到2.1倍時(shí)，偏載情況下開(kāi)始產(chǎn)生損傷，而均載情況下依舊沒(méi)有產(chǎn)生損傷;相同倍數(shù)荷載情況下，偏載加載造成的損傷度高于均載加載;單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁超載時(shí)，扭轉(zhuǎn)對(duì)損傷的影響比較大。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)嗡髅婊炷列崩瓨?薄壁箱梁;超載;扭轉(zhuǎn);損傷;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0101-03

Abstract： In order to study the effect of torsion on damage of single-cable plane concrete cable-stayed bridge thin-walled box girder under overloading， this paper took Linhai Bridge as the engineering background， used ABAQUS to establish a concrete plastic damage model， and conducted numerical simulation through gradual loading. The results show that the thin-walled box girder of single-cable plane concrete cable-stayed bridge under normal eccentric load or uniform load can work normally; when loading to 2.1 times， damage begins to occur under partial load， but there is still no damage under uniform load; under the same multiple load， the damage caused by eccentric load is higher than that of uniform load; when the thin-walled box girder of a single-cable plane concrete cable-stayed bridge is overloaded， the torsion has a greater impact on the damage.

Keywords： single cable plane concrete cable-stayed bridge;thin-walled box girder;overload;torsion;damage; numerical simulation

單索面混凝土斜拉橋箱梁具備薄壁、翼寬、扁平和單箱多室的特點(diǎn)，斜拉索錨固于主梁中心線上，因而難以給主梁提供抗扭支承，在汽車偏載作用下，主梁的空間扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)抗裂問(wèn)題十分突出。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土箱梁的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題進(jìn)行了大量的探討，取得了多項(xiàng)成效顯著的理論研究與應(yīng)用成果[1-5]。由于復(fù)合受力狀態(tài)下單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的復(fù)雜性和艱巨性，現(xiàn)有針對(duì)薄壁箱梁的研究主要從純扭、純彎的角度來(lái)考慮箱梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及損傷情況，與處于復(fù)合受力狀態(tài)的單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁的受力環(huán)境存在差異，同時(shí)單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁復(fù)合受力下偏載造成的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)損傷的影響還有大量值得研究的地方。本文擬采用有限元數(shù)值模擬的方法研究單索面混凝土斜拉橋薄壁超載情況下偏載作用對(duì)損傷的影響?；谙嗨评碚?，筆者設(shè)計(jì)一個(gè)全截面節(jié)段模型，參考文獻(xiàn)[6-7]建立混凝土塑型損傷模型，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。

1 混凝土塑性損傷模型

ABAQUS有限元軟件中提供的CDP模型是由數(shù)位外國(guó)學(xué)者[8-9]提出的?；炷猎趩屋S受拉時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要可分為兩個(gè)階段，即損傷出現(xiàn)前的線彈性階段和產(chǎn)生損傷后的軟化階段，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。[εel0t]、[εelt]分別為無(wú)損傷的混凝土受拉彈性應(yīng)變和考慮損傷的混凝土受拉彈性應(yīng)變;[εplt]、[εckt]分別為混凝土受拉的塑性應(yīng)變和非彈性應(yīng)變;[σt]、[σt0]分別為拉應(yīng)力和抗拉極限強(qiáng)度。

混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程為：

式中，[dt]為受拉損傷因子;[E0]為變形模量。

混凝土在單軸受壓時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要可分為三個(gè)階段，即線彈性階段、強(qiáng)化階段以及軟化階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。[εel0c]、[εelc]分別為無(wú)損傷的混凝土受壓彈性應(yīng)變和考慮損傷的混凝土受壓彈性應(yīng)變;[εplc]、[εinc]分別為混凝土受壓的塑性應(yīng)變和非彈性應(yīng)變;[σc]、[σc0]、[σcu]分別為壓應(yīng)力、最大彈性壓應(yīng)力和極限壓應(yīng)力。

混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程為：

式中，[dc]為受壓損傷因子。

2 塑性損傷因子的計(jì)算

ABAQUS中的損傷模型不僅要輸入混凝土本構(gòu)數(shù)據(jù)，還要輸入受拉和受壓損傷因子[dt]、[dc]。人們可以根據(jù)規(guī)范[10]給定的混凝土單軸受拉受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及損傷演化參數(shù)，參考相關(guān)文獻(xiàn)[11]，結(jié)合Sidiroff能量等價(jià)原理，推導(dǎo)出可以運(yùn)用于塑性損傷模型的損傷因子。

3 有限元數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型建立

本文構(gòu)建的模型以位于臨海市的臨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，該橋?yàn)楠?dú)塔單索面混凝土斜拉橋，采用單箱三室混凝土箱梁。首先利用Midas/Civil建立全橋模型，計(jì)算出全橋扭轉(zhuǎn)最不利受力位置為靠近塔柱的0號(hào)梁段。為了精確研究0號(hào)梁段受力情況，消除圣維南效應(yīng)的影響，研究人員將其增加5個(gè)梁段，總模型節(jié)段長(zhǎng)為32 m，梁段上橫隔板中部錨固有斜拉索。利用ABAQUS建立節(jié)段有限元模型，如圖3所示。模型采用C50混凝土，根據(jù)已推出的計(jì)算公式確定C50混凝土本構(gòu)參數(shù)，鋼筋塑性損傷參數(shù)輸入?yún)⒖枷嚓P(guān)規(guī)范。模型約束采用一端固結(jié)、另外一端自由的方式，斜拉索頂端采用鉸接約束且設(shè)有預(yù)應(yīng)力。人們可以通過(guò)Midas/Civil計(jì)算出截面32 m處的內(nèi)力，并將這些邊界力施加到懸臂端。為了更好地研究扭轉(zhuǎn)造成的損傷情況，研究人員把車道和人群荷載分別按偏載和均載加載，然后進(jìn)行逐級(jí)加載數(shù)值模擬。

3.2 數(shù)值模擬分析

正常偏載作用和均載作用下，有限元模型都沒(méi)有損傷產(chǎn)生;當(dāng)偏載和均載均加到2.1倍時(shí)，偏載情況下混凝土開(kāi)始產(chǎn)生受拉損傷，均載作用下混凝土依舊沒(méi)有產(chǎn)生損傷，其受拉損傷云圖如圖4所示。

繼續(xù)逐級(jí)加載時(shí)，混凝土損傷程度會(huì)快速變大，當(dāng)加到3.6倍時(shí)，均載作用下混凝土損傷程度達(dá)到28%，而偏載作用下?lián)p傷程度達(dá)到85%，損傷云圖如圖5、圖6所示。

兩種不同加載情況下混凝土模型受拉損傷度與荷載倍數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，當(dāng)車道荷載和人群荷載按偏心加載在橋面板的一側(cè)時(shí)，隨著荷載的不斷加大，混凝土受拉損傷度起初上升比較平緩，然后迅速增大，達(dá)到一定損傷程度后，發(fā)展會(huì)比較緩慢;當(dāng)車道荷載和人群荷載均布加在橋面板兩側(cè)時(shí)，隨著荷載的不斷增大，其混凝土損傷度曲線會(huì)平滑上升且增長(zhǎng)率越來(lái)越快。

4 結(jié)論

本文通過(guò)ABAQUS建立單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁有限元模型，然后進(jìn)行數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明，正常偏載作用下0號(hào)梁段不會(huì)產(chǎn)生損傷;當(dāng)偏載增大到2.0～2.1倍時(shí)，其開(kāi)始產(chǎn)生受拉損傷;當(dāng)偏載加到3.6倍時(shí)，其會(huì)出現(xiàn)大面積損傷。相同荷載加載倍數(shù)情況下，偏載作用下造成的混凝土受拉損傷程度高于均載作用下受拉損傷程度;單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁在超載情況下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)損傷的影響較大，不可忽略。

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