張樹(shù)清
(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)
預(yù)制墩線性、非線性比較分析
張樹(shù)清
(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)
采用有限元軟件ANSYS建立高強(qiáng)管型預(yù)制墩有限元模型,結(jié)合上部總體計(jì)算情況,對(duì)結(jié)構(gòu)逐級(jí)加載進(jìn)行計(jì)算分析,分析預(yù)制墩應(yīng)力云圖,得到最不利應(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,以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
預(yù)制墩;應(yīng)力;有限元;計(jì)算分析
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1.2 m,壁厚為0.25 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1m,頂寬0.40 m,內(nèi)徑D=1.2 m,見(jiàn)圖1。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67 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。
圖1 預(yù)制墩計(jì)算示意圖(單位:cm)
2.1有限元
材料非線性問(wèn)題的處理相對(duì)比較簡(jiǎn)單,不需要重新列出整個(gè)問(wèn)題的表達(dá)格式,只要將材料本構(gòu)關(guān)系線性化,就可將線性問(wèn)題的表達(dá)格式推廣用于非線性分析。一般說(shuō),通過(guò)試探和迭代的過(guò)程求解一系列線性問(wèn)題,如果在最后階段,材料的狀態(tài)參數(shù)被調(diào)整得滿足材料的非線性本構(gòu)關(guān)系,則最終得到問(wèn)題的解答。
預(yù)制橋墩混凝土采用C70混凝土,彈性模量Ec=3.7×104MPa,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)fck=2.07 MPa[1],見(jiàn)圖2。
圖2 C70混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線
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。有限元模型見(jiàn)圖3。
圖3 預(yù)制墩空間分析模型
分析結(jié)果與與實(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0kN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)見(jiàn)表1。
表1 荷載分級(jí)加載數(shù)值
對(duì)預(yù)制墩進(jìn)行有限元分析,得到控制點(diǎn)E、F在所選取最工況下應(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)系曲線見(jiàn)圖4~圖7,并列出應(yīng)力變化區(qū)間見(jiàn)表2。
圖4 控制點(diǎn)E點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SX曲線
圖5 控制點(diǎn)E點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SY曲線
圖6 控制點(diǎn)F點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SX曲線
圖7 控制點(diǎn)F點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SY曲線
從圖4~圖7和表2,可以看出:
(1)線性計(jì)算在線彈性范圍內(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;非線性計(jì)算在材料非線性性范圍內(nèi),預(yù)制墩應(yīng)力隨荷載增加,呈非線性變化—曲線變化;
(2)控制點(diǎn)E點(diǎn)(受拉側(cè))最大正應(yīng)力SX:非線性計(jì)算應(yīng)力0.552MPa,線性計(jì)算應(yīng)力0.497 MPa;
(3)控制點(diǎn)E點(diǎn)(受拉側(cè))最大正應(yīng)力SY:非線性計(jì)算應(yīng)力1.247MPa,線性計(jì)算應(yīng)力0.833 MPa;
(4)控制點(diǎn)F點(diǎn)(受拉側(cè))最大正應(yīng)力SX:非線性計(jì)算應(yīng)力-4.168MPa,線性計(jì)算應(yīng)力-5.631 MPa;
(5)控制點(diǎn)F點(diǎn)(受拉側(cè))最大正應(yīng)力SY:非線性計(jì)算應(yīng)力-19.560 MPa,線性計(jì)算應(yīng)力-22.486 MPa。
考慮材料非線性,計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)應(yīng)力非線性小于線性計(jì)算。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)。
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,通過(guò)觀察應(yīng)力云圖,找出最不利應(yīng)力點(diǎn),繪制出應(yīng)力隨荷載變化曲線。對(duì)直徑1.2 m預(yù)制墩進(jìn)行線性、非線性計(jì)算比較,預(yù)制墩在荷載作用下應(yīng)力滿足規(guī)范要求,承載力強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。線性計(jì)算應(yīng)力較非線性計(jì)算應(yīng)力偏大,設(shè)計(jì)計(jì)算偏于安全。計(jì)算中材料非線性是理想情況的應(yīng)力應(yīng)變曲線,考慮施工中不確定因素,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。
[1]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2]顏全勝,孔嘉慧,韓大建.金沙洲大橋主橋墩空間應(yīng)力分析[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2003,28(6):113-116.
[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.
[4]曹忠強(qiáng).異型矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力分析[J].交通科技,2010(3):13-17.
[5]黎耀,鄭凱峰,陳力波.大跨矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力計(jì)算分析[J].廣東公路交通,2007(3):14-17.
圖6 有擋墻和無(wú)擋墻坡面種植
交叉路口的漸變段與標(biāo)準(zhǔn)段有效結(jié)合,體現(xiàn)變與不變的理念,不變是為了保持整個(gè)綠化系統(tǒng)的統(tǒng)一,適當(dāng)?shù)淖兓梢愿玫钠鸬綐?biāo)識(shí)和導(dǎo)引作用;分段綠化有效銜接和變化體現(xiàn)了該路段的鮮明特色,同時(shí)也給駕乘人員不一樣的視覺(jué)體驗(yàn)。
U443.22
A
1009-7716(2016)10-0047-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.015
2016-03-18
張樹(shù)清(1983-),男,安徽阜南人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。