謝上飛

(湖南省交通科學(xué)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

斜拉橋因其結(jié)構(gòu)合理、外形美觀、造價(jià)低、施工方便等突出的優(yōu)點(diǎn)而成為世界上廣泛采用的橋型[1]。橋塔是斜拉橋的重要組成部分,既要承受恒載和活載產(chǎn)生的巨大軸向力和彎矩,又要承受溫度變化、支座沉降位移、風(fēng)荷載、地震力、混凝土收縮、徐變帶來的次內(nèi)力的影響,其受力較為復(fù)雜。采用合理的有限元模型對(duì)橋塔進(jìn)行仿真分析是重要的研究課題。

本文采用ANSYS程序,分別采用實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧⒘四炒罂缧崩瓨蛑魉挠邢拊Ｐ蚚2],并分別對(duì)兩種模型進(jìn)行了模態(tài)分析和時(shí)程分析,通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,比較了兩種模型各自的優(yōu)缺點(diǎn)。圖1給出了主塔的結(jié)構(gòu)細(xì)部圖。

圖1 主塔結(jié)構(gòu)細(xì)部圖(單位:mm)

1 有限元模型的建立

為了比較兩種單元建模的差異,本文分別采用梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元建模[3]。

1.1 梁?jiǎn)卧Ｐ?/h3>

模型單元采用BEAM188單元。BEAM188單元是建立在Timoshenko梁分析理論基礎(chǔ)上的,計(jì)入了剪切效應(yīng)和大變形效應(yīng),故可以考慮剪切變形和翹曲,同時(shí)也支持大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變等非線性,而且可以直接顯示梁截面上的應(yīng)力和變形,適合于從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)。與其他的梁?jiǎn)卧啾?BEAM188有更強(qiáng)的非線性分析能力,而且有強(qiáng)大的橫截面定義功能,能夠自由定義各種截面。采用BEAM188單元模擬橋塔時(shí),首先利用其強(qiáng)大的橫截面定義功能預(yù)先定義塔的各部分截面,然后再將其分配給塔的各部分。圖2—a給出了ANSYS建立的梁?jiǎn)卧Ｐ?模型中共有節(jié)點(diǎn)200個(gè),單元199個(gè)。

1.2 實(shí)體單元模型

模型單元采用SOLID65單元。SOLID65單元是ANSYS中專門為混凝土建立的單元,可以考慮混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的變形情況。使用SOLID65單元建立實(shí)體模型中,首先建立相應(yīng)的幾何模型,然后對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。需要注意的是,由于塔是變截面的結(jié)構(gòu),為了使力能順利傳遞,需要在變截面處施加接觸面單元。圖2—b給出了ANSYS建立的實(shí)體單元模型,模型中共有14 919個(gè)節(jié)點(diǎn),12 671個(gè)單元。與梁?jiǎn)卧Ｐ拖啾?節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)都大幅度提高。

圖2 兩種不同單元有限元模型

2 模態(tài)分析

為了比較采用兩種單元建立的有限元結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力學(xué)性能,本文分別計(jì)算了兩種模型對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的前6階自振頻率。自振頻率計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 兩種不同單元有限元模型模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

續(xù)圖3 兩種不同單元有限元模型模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

模態(tài)分析結(jié)果表明,兩種單元建立的有限元分析模型其模態(tài)分析結(jié)果相差均不大,相差最大的為第一階模態(tài),誤差為2.1%,滿足工程精度要求。同時(shí)可以看出,采用實(shí)體模型比采用梁?jiǎn)卧Ｐ涂梢愿庇^地反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)變形,特別是高階扭轉(zhuǎn)模態(tài),如果采用梁?jiǎn)卧Ｐ蜔o法直觀地反映其變形情況,而實(shí)體單元模型不存在此問題。

3 地震響應(yīng)分析

3.1 地震時(shí)程分析

為了更好地對(duì)比兩種有限元結(jié)構(gòu)模型在地震作用下的反應(yīng),分別采用時(shí)程分析法對(duì)兩種有限元模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算地震波采用日本阪神地震波(南北向),計(jì)算時(shí)采用加速度峰值附近15 s的地震記錄進(jìn)行計(jì)算,并按7度小震進(jìn)行調(diào)幅[4],地震記錄時(shí)間間隔0.02 s。地震波記錄見圖4。圖5給出了兩種模型的頂點(diǎn)位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線。

3.2 地震響應(yīng)結(jié)果分析

由時(shí)程曲線可以看出,兩種單元模型的頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線和加速度時(shí)程曲線基本重合,表明采用梁?jiǎn)卧M橋塔是可行的。從計(jì)算過程來看,采用梁?jiǎn)卧Ｐ?計(jì)算KOBE波耗時(shí)大概5min,而采用

4 體會(huì)和結(jié)語

在常見的隧道拱頂塌方處治中,從安全方面考慮,切不可冒然清理掉塌體下部的堆積體。此堆積體在大多數(shù)情況下,能起到暫時(shí)穩(wěn)定掌子面或拱頂上部的塌體,能防止拱頂塌方的進(jìn)一步發(fā)展。從結(jié)構(gòu)安全和使用壽命方面來看,塌方部位需回填密實(shí)。利用塌體下部的堆積體作為底模,進(jìn)行頂部塌腔體的注漿或泵送混凝土進(jìn)行回填,不僅安全,且經(jīng)濟(jì),只需回填部分預(yù)埋鋼管和一些混凝土或水泥砂漿材料,無需打設(shè)大量錨桿、架設(shè)鋼拱架等。此類塌方處治思路和方法,安全、經(jīng)濟(jì),易于操作,值得推廣應(yīng)用。

[1]JTG D 70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG F60-2009,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]崔永杰.順層偏壓隧道災(zāi)害處理及施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2009(5).

[4]蔣正華.隧道洞口地形偏壓段的新型設(shè)計(jì)與施工方法[J].公路工程,2010(2).