連續(xù)剛構(gòu)橋0^#塊空間應(yīng)力分析

彭林峰　彭安銀

作者簡介：

彭林峰（1992—），碩士，助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理以及試驗(yàn)檢測等工作;

彭安銀（1995—），碩士，主要從事高速公路建設(shè)管理以及科技信息化管理等工作。

摘要：文章以某連續(xù)剛構(gòu)橋的0#塊為研究對象，建立Midas FEA有限元模型，對其成橋后正常使用極限狀態(tài)下的0#塊空間應(yīng)力狀況進(jìn)行分析，同時(shí)對0#塊各關(guān)鍵截面的應(yīng)力集中效應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在剛構(gòu)橋0#塊的設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮頂板縱向預(yù)應(yīng)力對0#塊應(yīng)力分布的改善作用;0#塊的橫向應(yīng)力和豎向應(yīng)力不可忽視;0#塊橫隔板過人孔區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，建議在該區(qū)域布置構(gòu)造鋼筋;0#塊截面倒角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)嚴(yán)格控制倒角形狀和尺寸。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋;0#塊;有限元分析;空間應(yīng)力

中國分類號：U448.23A431575

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和突出的跨越能力，在我國公路橋梁中占據(jù)重要地位[1-2]。在連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)施工中，改善墩頂0#塊應(yīng)力分布一直是研究的重點(diǎn)。由于0#塊梁高較高，且在頂?shù)装濉⒏拱搴蜋M隔板交界處均存在不同形狀的倒角，其幾何結(jié)構(gòu)較一般箱梁截面更為復(fù)雜。由于縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力管道和普通鋼筋的存在，導(dǎo)致0#塊受力復(fù)雜且呈三向應(yīng)力分布狀態(tài)[3-5]。若采用普通梁單元進(jìn)行空間桿系分析將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差，影響連續(xù)剛構(gòu)橋的施工與運(yùn)營安全。已有學(xué)者對0#塊進(jìn)行了實(shí)體有限元分析，并建議了優(yōu)化設(shè)計(jì)策略[6-10]。0#塊作為剛構(gòu)橋的重要受力構(gòu)件，為防止其在運(yùn)營階段出現(xiàn)開裂甚至壓潰等狀況進(jìn)而影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，對0#塊進(jìn)行成橋后的空間應(yīng)力狀況分析具有重要意義。

本文以某大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的0#塊為研究對象，選取成橋運(yùn)營階段的最不利工況，對0#塊的空間應(yīng)力狀況進(jìn)行分析，對0#塊的應(yīng)力集中效應(yīng)進(jìn)行研究，并基于研究結(jié)果建議優(yōu)化控制措施，為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

某橋?yàn)椋?2+130+72）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)箱梁僅考慮采用縱向預(yù)應(yīng)力筋。0#塊長12 m，頂板寬15.5 m，底板寬8 m，梁高7.5 m。主梁采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土。在0#塊內(nèi)對應(yīng)橋墩位置處設(shè)橫隔板，在橫隔板中設(shè)過人孔。下部橋墩采用雙肢薄壁墩，橋墩為（8×1.5） m的實(shí)心矩形截面，雙肢薄壁橋墩中心距離為5.5 m。橋墩橫向與0#塊梁底等寬。0#塊的具體尺寸如下頁圖1所示。

2 有限元模型的建立

0#塊的應(yīng)力狀態(tài)與整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布是相互關(guān)聯(lián)的。根據(jù)圣維南原理[11]，本次分析將箱梁0#塊和1#塊以及5 m長的主橋墩作為研究對象，在Midas Civil軟件中將空間桿系單元導(dǎo)出，形成空間實(shí)體單元，利用Midas FEA的布爾并集運(yùn)算建立0#塊的空間實(shí)體有限元模型?；炷敛捎脤?shí)體單元模擬，特性賦值為C55。計(jì)算模型采用自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)劃分單元，共劃分為131 524個(gè)單元，30 890個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型邊界條件在墩底采用固結(jié)處理，以約束墩底所有節(jié)點(diǎn)的線位移和角位移，在主梁截?cái)嗝嫣幮纬蓜傂悦嬖侔磧?nèi)力邊界條件施加。建立的0#塊Midas FEA計(jì)算模型如圖2所示。

本文先利用Midas Civil軟件建立全橋的梁單元桿系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整體內(nèi)力求解，得到成橋狀態(tài)下0#塊兩端的內(nèi)力值。利用Midas FEA建立0#塊的局部實(shí)體有限元模型，并將成橋狀態(tài)下的內(nèi)力添加在0#塊剛性面的主節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn)位于該截面的重心位置。本文0#塊考慮的荷載工況為結(jié)構(gòu)自重、二期恒載以及其他結(jié)構(gòu)部分對0#塊產(chǎn)生的作用力。結(jié)構(gòu)自重及二期恒載可直接在FEA中施加。在Midas Civil軟件中提取其他結(jié)構(gòu)部分對0#塊的作用力施加在主節(jié)點(diǎn)上，如表1所示。

3 結(jié)果與討論

利用MIDAS FEA對0#塊進(jìn)行仿真分析，可以計(jì)算出實(shí)體模型中任意單元及節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力及應(yīng)變。本文從不同方向的正應(yīng)力以及主拉、主壓應(yīng)力等角度考慮0#塊各截面位置的空間應(yīng)力狀況以及應(yīng)力集中效應(yīng)。

3.1 縱向正應(yīng)力分析

如圖3所示為0#塊縱向正應(yīng)力分布云圖。由圖3（a）可知，0#塊底板的縱向正應(yīng)力分布規(guī)律為：底板處于受壓狀態(tài)且壓應(yīng)力較大，壓應(yīng)力區(qū)間為-11.64～-8.69 MPa，最大值為-20.47 MPa（正號表示拉力，負(fù)號表示壓力，下同），未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。0#塊頂板的縱向正應(yīng)力分布規(guī)律為：頂板均處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力區(qū)間為11.94～14.88 MPa，其值遠(yuǎn)大于C55混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此需要在0#塊頂板上布置較多的預(yù)應(yīng)力鋼束以改善0#塊頂板的應(yīng)力分布，防止頂板因承受較大拉應(yīng)力而開裂。0#塊腹板的縱向正應(yīng)力分布規(guī)律為：腹板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，因此需要在腹板適當(dāng)布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。0#塊橫隔板的縱向正應(yīng)力分布規(guī)律為：橫隔板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，其應(yīng)力區(qū)間為-2.79～0.15 MPa。橫隔板與頂板和腹板的交界處出現(xiàn)拉應(yīng)力，其應(yīng)力區(qū)間為0.15～3.09 MPa，拉應(yīng)力部分大于C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。在過人孔附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，其應(yīng)力區(qū)間為0.15～3.09 MPa。橫隔板與頂板倒角處出現(xiàn)拉應(yīng)力，其應(yīng)力區(qū)間為6.04～11.94 MPa。橫隔板與底板倒角處的應(yīng)力區(qū)間為-8.68～-5.74 MPa。[JP6]橫隔板與腹板倒角處呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力共存現(xiàn)象，其應(yīng)力區(qū)間為-8.68～-11.94 MPa。

如圖3（b）所示，縱向正應(yīng)力分析表明該0#塊的頂板端部截面處出現(xiàn)了應(yīng)力集中效應(yīng)，最大值為26.66 MPa。0#塊的墩梁固結(jié)處應(yīng)力狀況復(fù)雜，且出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)。在與底板和橋墩的交界處，出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，其應(yīng)力區(qū)間為-11.64～-17.53 MPa，應(yīng)力呈階梯形分布。結(jié)果表明，在墩梁固結(jié)處，壓應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，且其值較大。

3.2 橫向正應(yīng)力分析

如圖4所示為0#塊橫向正應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，0#塊頂板的橫向正應(yīng)力分布規(guī)律為：頂板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力位于頂板上緣，其值呈散狀分布，應(yīng)力區(qū)間為0.25～3.10 MPa。在頂板端部處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為6.67 MPa。壓應(yīng)力出現(xiàn)在頂板下緣，呈中心輻射漸變分布，其應(yīng)力區(qū)間為-3.32～-0.46 MPa。0#塊腹板的橫向正應(yīng)力分布規(guī)律為：腹板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力為-1.18 MPa，出現(xiàn)在腹板與底板交界處，最大拉應(yīng)力為0.25 MPa，出現(xiàn)在腹板與頂板交界處。0#塊底板的橫向正應(yīng)力分布規(guī)律為：底板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力為-4.74 MPa，出現(xiàn)在底板下緣靠近橋墩處，最大拉應(yīng)力為2.40 MPa，出現(xiàn)在底板上緣，拉應(yīng)力呈中心輻射漸變分布。0#塊橫隔板的橫向正應(yīng)力分布規(guī)律為：橫隔板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力發(fā)生在過人孔附近，其值為3.81 MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在橫隔板與頂板交界處，其值為-2.60 MPa。

3.3 豎向正應(yīng)力分析

如下頁圖5所示為0#塊豎向正應(yīng)力分布云圖。由圖5可知，0#塊頂板的豎向正應(yīng)力分布規(guī)律為：頂板出現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，且其值呈交替分布狀態(tài)，最大壓應(yīng)力發(fā)生在頂板上緣，其值為-1.36 MPa，最大拉應(yīng)力為1.32 MPa。在頂板端部處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為6.67 MPa。0#塊腹板的豎向正應(yīng)力分布規(guī)律為：腹板受壓，最大壓應(yīng)力為-5.37 MPa，出現(xiàn)在腹板與底板交界處。0#塊底板的豎向正應(yīng)力分布規(guī)律為：底板受壓，最大壓應(yīng)力為-9.38 MPa，出現(xiàn)在底板下緣靠近橋墩處，同時(shí)在此處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力在此處呈中心輻射漸變分布。0#塊橫隔板的豎向正應(yīng)力分布規(guī)律為：橫隔板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力發(fā)生在過人孔附近，其值為1.32 MPa。

3.4 主應(yīng)力分析

如圖6（a）所示，0#塊的主拉應(yīng)力主要表現(xiàn)為橫向拉應(yīng)力。0#塊的主拉應(yīng)力分布規(guī)律為：頂板承受拉應(yīng)力，其應(yīng)力區(qū)間為10.09～18.08 MPa，在頂板斷面處端部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為28.08 MPa。底板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，其應(yīng)力區(qū)間為-3.90～0.01 MPa。橫隔板也出現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，應(yīng)力區(qū)間為-1.90～2.09 MPa。底板與橋墩交界處、橫隔板與頂板底面均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力為8.09 MPa。圖6（a）的主拉應(yīng)力分析表明0#塊的拉應(yīng)力大部分出現(xiàn)在頂板，拉應(yīng)力區(qū)間為12.09～14.09 MPa，大幅超出了C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。在主拉應(yīng)力狀態(tài)下，壓應(yīng)力所占比值較小，壓應(yīng)力區(qū)間為-1.90～-0.01 MPa。頂板拉應(yīng)力和底板部分拉應(yīng)力均大于C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)力集中區(qū)域的主拉應(yīng)力部分大于C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

如圖6（b）所示，0#塊的主壓應(yīng)力主要表現(xiàn)為縱向壓應(yīng)力，此時(shí)，0#塊頂板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，其應(yīng)力區(qū)間為-3.44～5.25 MPa。底板受壓，其應(yīng)力區(qū)間為-22.55～-8.65 MPa。橫隔板呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，其應(yīng)力區(qū)間為-10.39～1.78 MPa。

4 結(jié)語

本文針對某連續(xù)剛構(gòu)橋的0#塊進(jìn)行空間應(yīng)力分析，可得出以下結(jié)論：

（1）0#塊頂板拉應(yīng)力較大，應(yīng)力區(qū)間為11.94～14.88 MPa，大幅超過了C55混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，故應(yīng)著重考慮頂板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束對0#塊拉應(yīng)力分布的改善作用。

（2）在單箱室箱梁0#塊中，橫向應(yīng)力和豎向應(yīng)力不容忽視。該橋0#塊頂板上緣橫向最大拉應(yīng)力為3.10 MPa，頂板下緣橫向最大壓應(yīng)力為-3.32 MPa。頂板上緣拉應(yīng)力、下緣壓應(yīng)力均較大，開裂風(fēng)險(xiǎn)高，需設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋。腹板的最大拉應(yīng)力為14.88 MPa，需在腹板處設(shè)置豎向精軋螺紋鋼筋來抵抗0#塊豎向及橫向拉應(yīng)力。

（3）0#塊截面倒角處局部應(yīng)力集中顯著，最大拉應(yīng)力為11.94 MPa，最大壓應(yīng)力為-11.64 MPa。在0#塊施工時(shí)，要確保尺寸準(zhǔn)確、截面倒角圓滑，以此來減少應(yīng)力集中效應(yīng)。

（4）在橫隔板過人孔區(qū)域出現(xiàn)了0.15～3.09 MPa的拉應(yīng)力，應(yīng)在橫隔板的過人孔處布置構(gòu)造鋼筋。橫隔板處出現(xiàn)拉壓應(yīng)力并存現(xiàn)象，其最大拉應(yīng)力為6.04 MPa，開裂風(fēng)險(xiǎn)較高，故需在橫隔板處布置橫向預(yù)應(yīng)力筋。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭元誠.大跨度空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)理論與方法[J].橋梁建設(shè)，2020，50（1）：74-79.

[2]程 煒，周超民.大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋病害成因分析及加固研究[J].公路，2020，65（4）：184-186.

[3]黃文潔，田仲初，薛 飛，等.邊中跨同時(shí)合龍對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋性能影響分析[J].公路與汽運(yùn)，2020（2）：111-114.

[4]楊 進(jìn)，羅 永，羅學(xué)成.連續(xù)剛構(gòu)0號塊的空間應(yīng)力分析[J].公路，2011（6）：90-94.

[5]文 明.連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊空間應(yīng)力仿真分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（3）：77-79.

[6]原學(xué)明，黃泰鑫，韓衛(wèi)娜.超長聯(lián)連續(xù)梁0#塊實(shí)體分析[J].公路工程，2015，40（4）：185-188.

[7]陳麗軍，胡 寧，李 運(yùn)，等.某連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊局部應(yīng)力分析[J].公路工程，2015，40（5）：228-230.

[8]宮玉明.連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊空間應(yīng)力分析[J].公路交通科技，2016，33（6）：83-87，94.

[9]鮑仕杰，錢德玲，戴啟權(quán)，等.懸臂澆筑連續(xù)梁橋0#塊的空間應(yīng)力分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，42（4）：530-535.

[10]張 飛，黃福云，王 燕.V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊空間應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].公路交通科技，2019，36（11）：59-67.

[11]宋少云，尹 芳.有限元網(wǎng)格劃分中的圣維南原理及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（8）：63-65.

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