張樹(shù)清 董 閣
(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)
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管型預(yù)制墩比較分析
張樹(shù)清董閣
(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥230088)
摘要:采用ANSYS軟件建立了不同墩徑的高強(qiáng)管型預(yù)制墩有限元模型,結(jié)合上部結(jié)構(gòu)總體計(jì)算情況,對(duì)橋墩逐級(jí)加載進(jìn)行計(jì)算,分析了預(yù)制墩應(yīng)力特征,得到了最不利應(yīng)力點(diǎn)位置,繪制出最不利應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力與墩頂荷載曲線圖。
關(guān)鍵詞:預(yù)制墩,應(yīng)力,有限元,計(jì)算分析
1工程概況
高強(qiáng)管型預(yù)制墩作為一種新型橋墩結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)形式新穎、承載力強(qiáng)、工廠化預(yù)制和裝配化施工等優(yōu)勢(shì),其施工成本降低并且施工質(zhì)量得以系統(tǒng)性控制。作為一種新型橋墩結(jié)構(gòu),此前在國(guó)內(nèi)公路建設(shè)中尚未有相關(guān)研究和應(yīng)用,目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范可供參照?qǐng)?zhí)行。
某橋全長(zhǎng)約14.31 km,采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)速度120 km/h,雙向四車(chē)道,全寬26.5 m。引橋采用35 m和40 m鋼板組合梁,分別采用預(yù)制墩,下接承臺(tái)樁基礎(chǔ)。橋墩采用預(yù)制墩,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C70,樁基采用PHC管樁。預(yù)制墩根據(jù)墩高不同,采用不同高度整體預(yù)制,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝,在預(yù)制墩底和承臺(tái)間預(yù)留杯口式安裝島,墩頂預(yù)留鋼筋,墩帽采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑。預(yù)制圓柱墩直徑為1.0 m,1.2 m,1.3 m,1.4 m,共四種規(guī)格壁厚分別為0.20 m,0.25 m,0.30 m,0.35 m。預(yù)制墩與承臺(tái)接頭方式為,承臺(tái)頂設(shè)環(huán)形杯口結(jié)構(gòu),高度1 m,頂寬0.40 m,內(nèi)徑分別為1.0 m,1.2 m,1.3 m,1.4 m。預(yù)制墩底采用梯形剪力紋,并對(duì)表面進(jìn)行拉毛處理,以利于與杯口混凝土的充分咬合,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況增設(shè)剪力孔和剪力筋,保證杯口結(jié)構(gòu)傳力的整體性和可靠性。在安裝島底部設(shè)直徑47 cm,67 cm,77 cm,87 cm的定位墩,高度50 cm,采用C40混凝土澆筑,用于預(yù)制墩的安裝定位和輔助固定。預(yù)制墩計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1。
2計(jì)算模型
2.1有限元
預(yù)制橋墩混凝土采用C70混凝土,彈性模量Ec=3.70×104MPa,泊松比vc=0.2,溫度線膨脹系數(shù)為0.000 01,軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=44.5 MPa、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=3.00 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=30.5 MPa,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=2.07 MPa[1]。杯口混凝土采用C40混凝土,彈性模量Ec=3.25×104MPa,泊松比Vc=0.2,溫度線膨脹系數(shù)為0.000 01,軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8 MPa、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.40 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=18.4 MPa,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.65 MPa。
根據(jù)全橋整體計(jì)算分析結(jié)果,選取整體計(jì)算最不利受力工況進(jìn)行局部分析計(jì)算。采用通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結(jié)區(qū)的空間仿真計(jì)算模型。有限元模型如圖2所示。
分析結(jié)果與實(shí)際情況必然存在一定的差距,但在模型理想化過(guò)程中,保持了結(jié)構(gòu)的基本特性,所以從總體上反映結(jié)構(gòu)受力規(guī)律和特點(diǎn)[2]。在有限元分析中,真實(shí)的邊界條件是很難模擬出來(lái)的,只能對(duì)其進(jìn)行一系列假定。邊界條件設(shè)置的與實(shí)際結(jié)構(gòu)的近似程度將直接影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性[3]。在盡量考慮模型邊界條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)近似的同時(shí),對(duì)無(wú)法準(zhǔn)確模擬的邊界條件按偏于安全處理。根據(jù)全橋整體計(jì)算情況,提取有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條件應(yīng)按全橋總體計(jì)算得到的內(nèi)力和位移加在模型上。在承臺(tái)底約束位移邊界,Uxyz三向全部約束。
2.2荷載工況
在局部分析中結(jié)合整體計(jì)算的工況結(jié)果,選取對(duì)結(jié)構(gòu)最不利幾個(gè)工況進(jìn)行分析,計(jì)算出最不利加載工況橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng),讀取此工況支反力,以此力作為實(shí)體模型荷載邊界條件[4,5]。荷載工況選取,最大軸力F=6 000 kN;最大剪力F=600 kN。軸力、彎矩均分10級(jí)加載,軸力由0 kN每級(jí)加載600 kN直至6 000 kN,剪力由0 kN每級(jí)加載60 kN直至600 kN。
荷載分級(jí)數(shù)據(jù)如表1所示。
3結(jié)果分析
對(duì)預(yù)制墩進(jìn)行有限元分析,得到控制點(diǎn)E,F(xiàn)在所選取工況下應(yīng)力分布,采用時(shí)程數(shù)據(jù)處理技術(shù),繪制出應(yīng)力隨荷載變化關(guān)系曲線如圖4~圖6所示,并列出應(yīng)力變化區(qū)間表如表2所示,圖表中正數(shù)為拉應(yīng)力,負(fù)數(shù)為壓應(yīng)力。
從圖3~圖6和表2,表3可以看出:
1)在線彈性范圍內(nèi),預(yù)制墩應(yīng)力隨荷載增加而均勻增加,應(yīng)力呈線性變化—直線變化。2)控制點(diǎn)E點(diǎn)(受拉側(cè))最大SX應(yīng)力:1.0 m預(yù)制墩應(yīng)力0.488 MPa,1.2 m預(yù)制墩應(yīng)力0.497 MPa,1.3 m預(yù)制墩應(yīng)力0.296 MPa,1.4 m預(yù)制墩應(yīng)力0.097 MPa。3)控制點(diǎn)E點(diǎn)(受拉側(cè))最大SY應(yīng)力:1.0 m預(yù)制墩應(yīng)力1.873 MPa,1.2 m預(yù)制墩應(yīng)力0.833 MPa,1.3 m預(yù)制墩應(yīng)力0.159 MPa,1.4 m預(yù)制墩應(yīng)力-0.356 MPa。4)控制點(diǎn)F點(diǎn)(受拉側(cè))最大SX應(yīng)力:1.0 m預(yù)制墩應(yīng)力-5.063 MPa,1.2 m預(yù)制墩應(yīng)力-5.631 MPa,1.3 m預(yù)制墩應(yīng)力-4.972 MPa,1.4 m預(yù)制墩應(yīng)力-4.347 MPa。5)控制點(diǎn)F點(diǎn)(受拉側(cè))最大SY應(yīng)力:1.0 m預(yù)制墩應(yīng)力為-28.384 MPa,1.2 m預(yù)制墩應(yīng)力-22.486 MPa,1.3 m預(yù)制墩應(yīng)力-19.087 MPa,1.4 m預(yù)制墩應(yīng)力-15.582 MPa。
墩徑越大控制點(diǎn)應(yīng)力越小,應(yīng)力隨墩徑增加而減小,在計(jì)算荷載范圍內(nèi),1.4 m預(yù)制墩應(yīng)力較小,安全系數(shù)較大。當(dāng)荷載加載到第10級(jí)時(shí),預(yù)制墩應(yīng)力達(dá)到最大,預(yù)制墩采用C70混凝土,局部最大應(yīng)力在規(guī)范允許范圍內(nèi)。
4結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)預(yù)制墩三維空間分析能直觀的了解該構(gòu)件應(yīng)力分布情況,繪制出應(yīng)力隨荷載變化曲線。分別對(duì)1.0 m,1.2 m,1.3 m,1.4 m直徑預(yù)制墩進(jìn)行線性計(jì)算分析比較,預(yù)制墩在荷載作用下應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求,承載力強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。1.0 m直徑預(yù)制墩墩頂設(shè)計(jì)荷載須控制減小,1.3 m,1.4 m直徑預(yù)制墩墩頂荷載可以適當(dāng)放大。結(jié)構(gòu)線彈性計(jì)算應(yīng)力偏大,設(shè)計(jì)計(jì)算偏于安全??紤]施工中不確定因素,墩柱會(huì)存在一些缺陷,計(jì)算采用線性計(jì)算偏安全處理是合適的。
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A comparative analysis of the tubular prefabricated pier
Zhang ShuqingDong Ge
(AnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230088,China)
Key words:prefabricated pier, stress, FEM, computational analysis
Abstract:By using the software ANSYS, the paper establishes the finite element models of the high-strength tubular prefabricated pier with different pier diameter. Based on the overall calculation, the paper does a computational analysis of the piers when loaded step by step. It also analyzes stress nephogram of the prefabricated pier, pinpoints the most unfavorable stress points and draws the curve graph of the stress of the most unfavorable stress points and loads on the top of pier.
文章編號(hào):1009-6825(2016)14-0149-02
收稿日期:2016-03-03
作者簡(jiǎn)介:張樹(shù)清(1983- ),男,碩士,工程師
中圖分類(lèi)號(hào):U443.22
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A