曹文杰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

某小曲線大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁靜力計(jì)算分析

曹文杰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要由于小曲線半徑連續(xù)梁受力較為復(fù)雜，空間效應(yīng)明顯，為提高小曲線半徑連續(xù)梁的抗傾覆能力，結(jié)構(gòu)采用了剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)采用ASCB，MIDAS，ANSYS等分析程序，按有限元法模擬各施工階段及運(yùn)營(yíng)階段工況，計(jì)算各施工階段及運(yùn)營(yíng)階段各截面的內(nèi)力、應(yīng)力及變形等，分析軌道交通小曲線半徑剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞有軌電車連續(xù)-組合梁小曲線半徑

近幾年來(lái)，城市新型公共交通系統(tǒng)不斷發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目在這種趨勢(shì)下也得到蓬勃發(fā)展。有軌電車在線路線形設(shè)計(jì)上更趨近于市政道路設(shè)計(jì)，因此，為更好地適應(yīng)城市道路，線路設(shè)計(jì)上會(huì)經(jīng)常采用到小曲線半徑。小曲線半徑對(duì)于高架橋梁設(shè)計(jì)的影響很大，為此，筆者擬結(jié)合某有軌電車項(xiàng)目中的具體工點(diǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)軌道交通小曲線半徑連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析[1-2]。

1工程概況

該有軌電車正線在右DK13+475處上跨某運(yùn)河，夾角約23°。該運(yùn)河航道凈高不小于4.5 m，凈寬不小于40 m。為滿足通航要求，同時(shí)保證主橋與周圍自然環(huán)境的景觀效果，設(shè)計(jì)采用36 m+60 m+36 m連續(xù)-剛構(gòu)梁跨越運(yùn)河，其中60 m主跨一跨跨越運(yùn)河，2主墩均位于駁岸線以外；本梁采用掛籃懸臂澆筑施工。橋梁平面布置見(jiàn)圖1。

圖1　平面布置圖

由圖1可見(jiàn)，主橋位于曲線上，全梁梁體基本都在圓曲線范圍內(nèi)，曲線半徑R=150 m；橋上雙線，線間距4.434～4.403 m。梁上縱坡分為2段(均為上坡)，一段為42‰縱坡，一段為3.4‰縱坡。橋上運(yùn)行按7模塊編組的有軌電車荷載。

2結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單箱單室變高度箱形截面。邊跨直線段及中跨跨中梁高2.0 m，中支點(diǎn)截面梁高為3.8 m，變高梁段底板按圓曲線變化，圓曲線半徑R=215.578 m。全橋箱梁頂寬9.2 m，箱梁底寬5.2 m。頂板厚27 cm，腹板厚分別為40，70 cm，底板厚由跨中的28 cm按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部的50 cm，中支點(diǎn)處加厚到80 cm。主梁輪廓見(jiàn)圖2，邊、中支點(diǎn)截面見(jiàn)圖3。

圖2　結(jié)構(gòu)總體輪廓圖

圖3　邊支點(diǎn)及中支點(diǎn)處梁部半截面(單位：cm)

全梁共設(shè)5道橫隔梁，分別設(shè)于中支點(diǎn)、端支點(diǎn)和中間跨跨中截面。主梁除0號(hào)梁段(長(zhǎng)10 m)、邊孔直線梁段(長(zhǎng)4.9 m)在支架上施工外，其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑。

為提高小曲線半徑連續(xù)梁的抗傾覆能力，結(jié)構(gòu)采用了剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)形式，小里程中墩與主梁固結(jié)。固結(jié)橋墩采用矩形橋墩，墩頂截面尺寸為：5.2 m(橫向)×2.4 m(縱向)，墩底截面尺寸為：3.2 m(橫向)×2.4 m(縱向)，為與梁部平順銜接，橋墩采用圓弧過(guò)渡；下部基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)。

3上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的縱向計(jì)算分別采用ASCB(平面模型，模擬成梁?jiǎn)卧?、MIDAS(空間模型，模擬成梁?jiǎn)卧?、ANSYS(空間模型，模擬成實(shí)體單元，側(cè)重于對(duì)曲線梁腹板內(nèi)外側(cè)正應(yīng)力分析)等分析程序，按有限元法模擬各施工階段及運(yùn)營(yíng)階段工況，進(jìn)行計(jì)算分析。以下著重對(duì)運(yùn)營(yíng)階段受力進(jìn)行分析[3-5]。

(1) ASCB程序支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果。見(jiàn)表1(不含固結(jié)墩)。

表1　ASCB程序支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果　kN

(2) ASCB程序應(yīng)力及正截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果[6]，見(jiàn)表2。

表2　ASCB程序應(yīng)力及正截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

(3) MIDAS程序支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3(不含固結(jié)墩)。

表3　MIDAS程序支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果　kN

(4) ANSYS程序支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果。本模型混凝土采用solid45實(shí)體單元建模，預(yù)應(yīng)力鋼索采用link8單元建模。鋼索與混凝土采用約束方程連接，鋼索采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力。本模型所施加荷載為自重+預(yù)應(yīng)力+二恒+活載。提取了各支座的支反力，見(jiàn)表4。同時(shí)，提取各典型截面的順橋向正應(yīng)力分布見(jiàn)圖4。

表4　ANSYS程序支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果　kN

圖4　各典型截面正應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

另外，通過(guò)在ANSYS中提取各關(guān)鍵截面的內(nèi)外腹板平均剪應(yīng)力分布結(jié)果。通過(guò)內(nèi)外側(cè)平均剪應(yīng)力比值發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外腹板剪力有一定的不均勻性，在抗剪設(shè)計(jì)配筋時(shí)應(yīng)予以注意。腹板平均剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　腹板平均剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果　MPa

提取各跨中截面頂板、底板肋板處的正應(yīng)力分布情況，用以對(duì)比內(nèi)外側(cè)肋板處正應(yīng)力比值(表6中數(shù)值均為壓應(yīng)力)。根據(jù)表6可知，內(nèi)外側(cè)正應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，最大比值為1.12。建議以該系數(shù)作為放大系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算和配筋。

表6典型截面內(nèi)、外側(cè)肋板正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

截面位置外腹板內(nèi)腹板比值(大/小)大里程邊跨跨中頂板6.146.901.12底板8.549.351.10中跨跨中頂板12.4811.591.08底板11.3810.211.11小里程邊跨跨中頂板6.796.291.08底板9.569.061.05

支反力結(jié)果分析：以6號(hào)墩為例，主力作用下，曲線內(nèi)側(cè)支反力為外側(cè)的1.55倍(ASCB)，1.27(midas)，1.30(ansys)，曲線引起的彎扭效應(yīng)明顯，在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須引起足夠重視；恒載作用下，曲線內(nèi)側(cè)支反力為外側(cè)的1.55倍(ASCB)，1.33(midas)，內(nèi)側(cè)支反力明顯大于外側(cè)；活載作用下，曲線內(nèi)側(cè)反力最大1 180 kN(ASCB)，1 097 kN(midas)，外側(cè)最小反力-40.3 kN(ASCB)，-29.0 kN(midas)，外側(cè)出現(xiàn)了拉力。

應(yīng)力結(jié)果分析：局部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)應(yīng)于直線梁，小曲線半徑梁的剪應(yīng)力和正應(yīng)力存在不同程度的增大，曲線內(nèi)外側(cè)腹板剪應(yīng)力最大比值2.09，正應(yīng)力最大比值1.12，在普通鋼筋的計(jì)算和配置中需加強(qiáng)。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ASCB，MIDAS，ANSYS 3個(gè)程序?qū)χ骺?0 m小曲線半徑剛構(gòu)連續(xù)梁的計(jì)算，著重從支反力和應(yīng)力2個(gè)方面闡述梁的受力情況，驗(yàn)證了3個(gè)程序計(jì)算出的小曲線半徑梁內(nèi)、外側(cè)支反力雖有誤差，但相差不大且變化趨勢(shì)一致；但是考慮到小曲線半徑梁受翹曲、扭轉(zhuǎn)變形影響大，有必要通過(guò)ANSYS進(jìn)行實(shí)體分析，掌握曲線內(nèi)外側(cè)腹板應(yīng)力分布狀況，合理配置普通鋼筋。目前在軌道交通中，同類型的橋梁尚不多見(jiàn)，本工程通過(guò)實(shí)例對(duì)小曲線大跨度剛構(gòu)連續(xù)梁靜力進(jìn)行計(jì)算分析，以期為同類橋梁的建設(shè)提供參考、借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]姚玲森.曲線梁[M].北京：人民交通出版社,1989.

[2]邵容光.混凝土彎梁[M].北京：人民交通出版社,1994.

[3]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4]葉見(jiàn)曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社,2005.

[5]王鈞利,賀栓海.高墩大跨徑曲線剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)參數(shù)與穩(wěn)定分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2005(5):717-720.

[6]TB 10002.3-2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2005.

收稿日期：2015-03-11

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.020