幾何非線性對(duì)斜交高墩受力性能的影響研究

卓小麗

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國(guó)公路交通建設(shè)的飛速發(fā)展，連續(xù)梁橋因其施工技術(shù)成熟、跨越能力較強(qiáng)等特點(diǎn)得到了廣泛推崇和使用。而因線路及地形限制等原因，斜交高墩連續(xù)梁橋也應(yīng)運(yùn)而生，其結(jié)構(gòu)受力特性及非線性效應(yīng)也備受研究學(xué)者們關(guān)注。胡立華等[1]以湘西酉水大橋?yàn)檠芯勘尘?，?duì)結(jié)構(gòu)在最高墩施工階段及最大懸臂施工階段的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。陳建平等[2]針對(duì)酉水大橋，研究了日照溫度對(duì)斜交高墩施工線形的影響規(guī)律，并提出了墩身線形及軸線偏位的施工控制措施。戴桂華等[3]以一大跨連續(xù)箱梁橋?yàn)檠芯勘尘?，?duì)其斜交高墩在幾何非線性效應(yīng)下的受力性能及多重非線性作用下的結(jié)構(gòu)屈曲性能進(jìn)行了分析，并研究了不同斜交角度對(duì)橋墩非線性屈曲的影響規(guī)律。李良[4]對(duì)斜交高墩發(fā)電大橋的抗震性能進(jìn)行了分析，并對(duì)比分析了墩高、橋梁跨徑及斜交角度等參數(shù)對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響。白青俠等[5]采用能量法并考慮地基彈性變形的影響對(duì)橋梁高墩進(jìn)行了非線性效應(yīng)分析。辛延甫等[6]以西部某大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘埃紤]樁土作用下分析幾何非線性對(duì)結(jié)構(gòu)施工階段和成橋運(yùn)營(yíng)階段的受力性能的影響，并揭示了墩高對(duì)幾何非線性效應(yīng)的影響規(guī)律。本文擬以廣西某大跨斜交高墩連續(xù)箱梁橋?yàn)檠芯勘尘?，?duì)其斜交高墩的非線性效應(yīng)進(jìn)行分析研究，以期為同類型項(xiàng)目提供一定參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目以廣西某大跨斜交高墩預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土變截面連續(xù)箱梁橋?yàn)橐劳泄こ?，其跨徑布置?85+150+85) m。主梁斷面為單箱單室箱形截面，梁底線形按1.8次拋物線變化，箱梁支點(diǎn)處梁高為9.0 m，跨中梁高為4.0 m。箱梁頂板全寬為12 m，單箱設(shè)有2%的單向橫坡。底板寬度為6.5 m。箱梁在梁端設(shè)置一道1.8 m厚橫隔板，兩個(gè)主墩頂各設(shè)一道4.5 m厚橫隔梁。主墩為5#、6#墩，墩身采用雙肢矩形空心墩，順?biāo)鞑贾?，主橋墩軸線與橋梁中心線成65°夾角。左右兩幅主墩間設(shè)置系梁，肢間中心間距為1 379.2 cm。其中，5#墩高為61 m，在墩底往上20 m處設(shè)置一個(gè)變截面段，橫向放坡40∶1，縱向放坡80∶1，20 m以上部分為等截面。兩個(gè)空心墩壁厚125 cm，橋墩及蓋梁均采用C40混凝土。具體橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(cm)

2 斜交高墩有限元模型的建立

利用Midas Civil軟件建立背景連續(xù)箱梁橋上部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析模型，采用空間梁格法進(jìn)行主梁的模擬，其計(jì)算模型和邊界條件如圖2所示。為研究幾何非線性對(duì)斜交高墩受力性能的影響，考慮大橋在正常使用時(shí)長(zhǎng)期和短期作用下的荷載組合對(duì)主梁進(jìn)行受力分析，提取5#墩頂支反力總結(jié)如表1所示(其中：FX為順橋向反力，F(xiàn)Y為橫橋向反力，F(xiàn)Z為豎向反力)。

圖2 箱梁空間梁格模型圖

表1 支座反力組合值表

如表1所示，結(jié)構(gòu)在正常使用短期組合作用下支座反力比長(zhǎng)期組合大，故采用正常使用短期效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)支座反力值對(duì)5#斜交高墩進(jìn)行幾何非線性影響效應(yīng)分析。

背景橋梁主橋5#墩高61m，在墩底往上20m處設(shè)置一個(gè)變截面段，橫向放坡16∶1，縱向放坡80∶1，20m以上部分為等截面。該墩為薄壁矩形空心墩，壁厚125cm。以該橋墩為工程實(shí)例，利用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體有限元模型，對(duì)該橋墩實(shí)際受力情況進(jìn)行模擬，橋墩及蓋梁均采用SOLID65實(shí)體單元進(jìn)行模擬，墩底采用固定約束。根據(jù)所計(jì)算支反力對(duì)模型施加墩頂豎向荷載及水平荷載，并考慮墩身重力荷載。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如下：C40混凝土彈性模量為3.25×1010Pa，泊松比為0.3，密度為2 600kg/m3。斜交高墩有限元模型如圖3所示。

圖3 5#橋墩有限元模型圖

3 幾何非線性影響結(jié)果分析

根據(jù)上述所建模型，利用ANSYS軟件自帶的幾何非線性分析模塊對(duì)斜交高墩進(jìn)行幾何非線性影響效應(yīng)分析，對(duì)比分析斜交高墩在考慮幾何非線性與不考慮幾何非線性兩種工況下結(jié)構(gòu)的受力及變形，總結(jié)幾何非線性對(duì)斜交高墩的影響規(guī)律。具體分析結(jié)果如下。

3.1 幾何非線性對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響分析

經(jīng)計(jì)算分析，考慮橋墩幾何非線性條件下，橋墩X方向最大位移為0.046 317m，Y方向最大位移為0.014 501m，Z方向最大位移為0.012 994m；不考慮橋墩幾何非線性條件下，橋墩X方向最大位移為0.044 719m，Y方向最大位移為0.014 151m，Z方向最大位移為0.012 77m。

幾何非線性對(duì)結(jié)構(gòu)三向變形影響對(duì)比如圖4所示。相較于不考慮斜交高墩幾何非線性，考慮幾何非線性的斜交高墩X方向最大位移增大了3.6%，Y方向最大位移增大了2.5%，Z方向最大位移增大了1.8%。

圖4 幾何非線性對(duì)高墩三向變形影響對(duì)比柱狀圖

3.2 幾何非線性對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響分析

對(duì)比分析斜交高墩在兩種工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，因結(jié)果圖較多，僅提取考慮橋墩幾何非線性的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖(如圖5所示)?？紤]橋墩幾何非線性條件下，橋墩最大拉應(yīng)力為2.29MPa，最大壓應(yīng)力為12.2MPa；不考慮橋墩幾何非線性條件下，橋墩最大拉應(yīng)力為2.21MPa，最大壓應(yīng)力為11.7MPa。相較于不考慮橋墩幾何非線性，考慮橋墩幾何非線性的橋墩最大拉應(yīng)力增大了3.6%，最大壓應(yīng)力減小了4.3%。

(a)第一主應(yīng)力

(b)第二主應(yīng)力

(c)第三主應(yīng)力

(d)等效應(yīng)力

4 結(jié)語(yǔ)

本文以廣西某斜交高墩連續(xù)箱梁橋?yàn)橐劳斜尘?，研究了幾何非線性效應(yīng)對(duì)斜交高墩受力性能的影響規(guī)律，具體結(jié)論可總結(jié)如下：

(1)相較于不考慮幾何非線性效應(yīng)，考慮幾何非線性效應(yīng)的背景橋梁斜交高墩變形增大了3.6%，最大拉應(yīng)力增加了3.6%，最大壓應(yīng)力減小了4.3%。考慮幾何非線性效用后，結(jié)構(gòu)受力及變形更為不利。

(2)幾何非線性效應(yīng)對(duì)斜交高墩的受力性能存在較大影響，尤其對(duì)于柔性高墩的影響，幾何非線性效應(yīng)不容忽視。