基于有限元的混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段受力性能模擬分析

譚小磊

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧）

引言

大型跨接混凝土連續(xù)箱梁橋的加寬是高速公路擴容工程中最重要的環(huán)節(jié)。為了使原來的橋梁得到更大的擴展，在工程建設(shè)中往往會在已建成的老橋的兩邊建造類似的新型橋梁[1]。新橋和舊橋的聯(lián)系是由翼板完成的，二者的連接形成一個完整的橋梁體系[2]。為進一步促進這一施工方式的適應(yīng)性提升，以銅仁市沿河經(jīng)印江（木黃）至松桃高速公路為依托，針對該橋梁的拼寬施工，對拼接段的受力性能進行分析。

1 工程概況

以上述工程項目為依托，該項目重點是對混凝土連續(xù)箱梁拼接橋的拼接段進行施工。該工程擬建橋地點在沿河縣團結(jié)街道的東南方，與沿德高速連接，以完成本工程與沿德高速的交通轉(zhuǎn)換。該橋址位于貴州中部黔北山地高原南部，大婁山脈和武陵山脈的交界處，該地區(qū)的建設(shè)工程位于貴州平原到湘西山區(qū)與四川盆地的交界處，屬于武陵山脈的西北翼、大婁山脈的東南翼，整體上呈南北長、東西窄的帶狀，地勢起伏不定。該項目所在位置存在東南區(qū)域和西北區(qū)域地勢較高，而其他區(qū)域地勢相對較低的特殊結(jié)構(gòu)，其中烏江山谷的地勢最低，項目覆蓋的所有區(qū)域均在烏江峽谷地勢結(jié)構(gòu)當中，烏江的水流很深，所以地形比較復(fù)雜。同時，通過進一步勘察得出，施工區(qū)域最高海拔達到1 324.2 m，最低海拔為325.24 m。互通區(qū)是揚子準地臺八面山褶皺帶武陵凹陷褶皺區(qū)，新華夏系的次生沉降帶屬于新華夏系，其總體上是褶皺斷裂；構(gòu)造線多為NNE 和NE，少部分為NNW。斷裂以背斜的核部和側(cè)翼為主，斷裂的組合形態(tài)為束狀、階梯狀、地塹、地壘型等，多為壓力和壓扭作用所形成的正斷層，以及局部的逆向斷層。本橋座落在沿河縣團結(jié)街道東側(cè)，擬建設(shè)橋位在貴州高原與湘西山區(qū)、四川盆地之間的一個坡度上。路線縱段較高，本橋最大橋高約36.45 m，最大墩身高度約為33.05 m，橋梁孔徑布置及橋長主要受兩岸地形控制。

結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)、水文和場地條件等特點，從工程安全、施工可行、環(huán)保、經(jīng)濟、景觀等方面考慮，設(shè)計方案上部為5X20 m 的普通混凝土連續(xù)箱梁。根據(jù)橋面高度和橋跨的不同，橋墩下部為矩形墩身，橋臺為柱狀平臺，地基為樁基；在橋臺和分接頭部位，伸縮縫均為80 型；該橋全長100 m，不包括橋臺耳壁。橋梁的起始樁編號CK0+666.164、CK0+769.204、CK0+719.204。本橋平面分別在參數(shù)59.161 的左偏緩和曲線，右偏圓曲線為180 m?？v向剖面在垂直凹型曲線上，i1=-4.000%,i2=2.698%（R=700.358）。橋面交角位置垂直，橋臺背壁前端連線、橋墩中心線以及橋面設(shè)計線之間的傾角均為90°。圖1 和圖2 分別為該項目中連續(xù)箱梁平面特征線示意圖和結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

圖1 本文研究項目連續(xù)箱梁平面特征線示意圖

圖2 本文研究項目連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)剖面示意圖

針對上述工程概況，為實現(xiàn)對其拼接段受力性能的模擬與分析，下述將對其進行有限元模型的構(gòu)建。

2 混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段受力性能數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

結(jié)合上述工程概況，利用邁達斯建模軟件對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段進行有限元模型構(gòu)建。在邁達斯軟件中，利用圖3 所示的梁格法對模型進行網(wǎng)格劃分。

圖3 梁格法模型網(wǎng)格劃分

先將原結(jié)構(gòu)離散為等效梁格，再將其上的撓曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分別分配給相鄰的相鄰主梁，從而實現(xiàn)對原有結(jié)構(gòu)的縱向、橫向應(yīng)力模擬[3]。同時，在對梁進行分割時，各梁的剛度必須滿足在受到外載的情況下，在相同的面積上，梁的受力應(yīng)當大致相同的條件。任何一個板狀結(jié)構(gòu)單元在垂直方向上的扭力和扭力都是一樣的，而在梁格模式下，由于兩種結(jié)構(gòu)特征的差異，其正交方向的轉(zhuǎn)矩和扭力往往不一致。如果梁格切得足夠細，則梁的模型就會產(chǎn)生彎曲的彎曲，從而使其近似為等值[4]。因而，在梁的分割上，越細的劃分，其結(jié)果就越準確。梁格法在大部分斷面上仍能達到計算精度的要求。

在完成上述操作后，邁達斯軟件自動生成混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段的有限元模型，如圖4 所示。

圖4 混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段有限元模型

對上述構(gòu)建的有限元模型，確定劃分方式，為后續(xù)計算每個構(gòu)件的受力特性提供依據(jù)。在構(gòu)建混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段有限元模型時，還需要將拼接橋各項材料特性對應(yīng)參數(shù)輸入到邁達斯軟件當中，包含參數(shù)如表1 所示。

表1 拼接橋各項材料特性對應(yīng)參數(shù)記錄表

針對不同的受力劃分不同，通常情況下在劃分梁格有限元模型時，每根主梁的中線都要盡可能地與其所處的腹板中線相一致，以便通過相鄰的梁格梁上的作用力來計算原始截面的受力。證梁格法計算時，各單元間的分段長度不能太大[5]。由于基坑周圍的內(nèi)力變化很大，因此在這里進行網(wǎng)格劃分時要進行加密。

2.2 受力特性分析

按照上述要求，完成對拼接段有限元模型的劃分后，針對拼接段縱向截面抗扭慣性矩的計算：

式中，id表示拼接段縱向截面抗扭慣性矩；h 表示拼接段縱向截面高度；t1表示連續(xù)箱梁型截面頂部厚度；t2表示連續(xù)箱梁型截面底板厚度。再針對拼接段橫梁截面的受力特性進行計算。為了達到計算的精確性，橫梁的橫向分塊要求不大于主梁反彎點間隔的四分之一。在此基礎(chǔ)上，采用繞頂和底板的水平中軸線進行計算，其公式為：

式中，i 表示拼接段橫梁截面的受力。由于橫截面剪力值的計算必須同時考慮縱向剪力的影響，而且薄壁箱梁的縱向剛度很低，在縱向剪力作用下，往往會引起箱形截面的扭轉(zhuǎn)，從而影響到頂板、底板和腹板的尺寸，如圖5 所示。

圖5 拼接段扭轉(zhuǎn)變形原理示意圖

根據(jù)圖5 所示的拼接段扭轉(zhuǎn)變形原理，對其剪力情況進行計算，其公式為：

式中，V 表示拼接段扭轉(zhuǎn)變形剪力；b 表示單位寬度橫向構(gòu)件等效剪切面積；Ev 表示抗彎剛度；tw表示反彎點位置數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述公式計算得出拼接段的剪力大小。通過上述計算，確定混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋在拼接段上的受力特性。

3 實例分析

根據(jù)上述論述思路，針對上述所述的拼寬橋建設(shè)項目，為實現(xiàn)對其受力性能的分析，基于上述計算公式，對拼接段在拼接前后有限元模型的撓度變化和應(yīng)力變化進行計算，并得出相應(yīng)的撓度偏載系數(shù)和應(yīng)力偏載系數(shù)，前者可以通過拼接前后撓度差值與拼接前撓度的比值得出，后者可以通過拼接前后應(yīng)力差值與拼接前應(yīng)力的比值得出。先完成對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段在拼接前、鉸接后和剛接后撓度的計算，其計算結(jié)果記錄如表2 所示。

表2 拼接段撓度計算結(jié)果記錄表

從表2 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，拼接前在拼接段上的撓度偏載系數(shù)為1.12，小于經(jīng)驗偏載系數(shù)1.15；拼接后由于拼寬橋整體剛度提升，因此無論是剛接還是鉸接，拼接段上的應(yīng)力均得到了一定程度的降低，并且撓度偏載系數(shù)也同樣減少，達到了1.04。因此，針對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋的撓度偏移系數(shù)可以適當降低，以此能夠達到節(jié)省施工材料的效果，同時建議在施工方案設(shè)計中按照偏載系數(shù)為1.12 進行計算，以此得到更加合理的施工方案。

在針對混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段拼接前、鉸接后和剛接后的應(yīng)力進行計算，并將計算結(jié)果記錄如表3 所示。

表3 拼接段應(yīng)力計算結(jié)果記錄表

從表3 中記錄的結(jié)果可以看出，拼接前與拼接后相比，縱梁應(yīng)力、最大應(yīng)力、平均應(yīng)力等參數(shù)數(shù)值均得到不同程度地提升。在拼接前拼接段的應(yīng)力偏載系數(shù)為1.14，未超過經(jīng)驗偏載系數(shù)1.15，而在進行拼接后，拼接段整體剛度提升，無論是采用剛接還是鉸接的方式，拼接段上的應(yīng)力均得到明顯降低，并且應(yīng)力偏載系數(shù)也均出現(xiàn)不同程度的降低，控制在了1.08～1.09范圍內(nèi)。因此，在進行對該混凝土連續(xù)箱梁拼寬橋拼接段的施工方案設(shè)計時，可以將偏載系數(shù)1.15 作為拼寬橋新橋的應(yīng)力偏載系數(shù)，以此能夠充分滿足該橋梁的承載能力要求，并且也能夠為橋梁安全提供一定儲備。

4 結(jié)論

通過本文上述論述，選擇以某高速公路建設(shè)項目作為依托，針對該工程項目中的拼寬橋結(jié)構(gòu)，對該橋梁拼接段進行受力性能的分析。通過在邁達斯建模軟件中對拼接段的有限元模型構(gòu)建，并針對拼接段的撓度和應(yīng)力，可為施工方案的制定提供更可靠的依據(jù)。同時，在實際對拼接段受力性能進行分析時，不同跨度的偏載系數(shù)不同，邊跨的偏載系數(shù)通常大于中跨，因此說明汽車偏載效應(yīng)下的最不利位置在邊跨?；谶@一特點，在施工方案制定時應(yīng)當強化邊跨的承載力等力學(xué)性能，從而提升拼接段整體運行質(zhì)量。