顏燕祥

(湖北工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

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新型空腹剛構(gòu)橋空腹區(qū)合理夾角的數(shù)值模擬

顏燕祥

(湖北工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

新型空腹剛構(gòu)橋是近年來由中交第二公路勘察設(shè)計研究院提出并申請專利的一種新橋型?？崭箙^(qū)下弦桿與橋墩間夾角α的取值，對墩、梁固結(jié)處的應(yīng)力影響顯著，對空腹區(qū)的受力性能影響較大。本文運用有限元軟件ANSYS，對貴州北盤江特大橋空腹區(qū)的合理夾角選取進行數(shù)值模擬，并對空腹區(qū)主要構(gòu)件的受力及合攏點撓度進行對比分析。研究結(jié)果表明，該橋型下弦桿與橋墩間夾角α取53°～60°時，空腹區(qū)的綜合力學(xué)性能指標相對較好，合攏點撓度亦最小。

空腹剛構(gòu)橋；空腹區(qū)夾角；數(shù)值模擬；受力分析

新型空腹式剛構(gòu)橋，是近年來中交第二公路勘察設(shè)計研究院提出并申請專利的一種新型的剛構(gòu)橋。與一般開孔橋相比，新型空腹剛構(gòu)橋空腹部分開孔高度大、下弦桿較長；通過在箱梁根部附近設(shè)置斜腿，加大了根部區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度。作為墩梁固結(jié)的連續(xù)結(jié)構(gòu)之一，新型空腹剛構(gòu)橋能夠利用高墩的柔性適應(yīng)由于預(yù)應(yīng)力、溫度變化、混凝土收縮、徐變等引起的內(nèi)力與變形。新型空腹式剛構(gòu)橋的空腹區(qū)兼具梁與拱的特點和優(yōu)勢,呈現(xiàn)出良好的力學(xué)性能[1]。此外，它具有與常規(guī)剛構(gòu)橋相似的平衡懸臂施工特點，其運營維護費用少、工程造價低。新型空腹剛構(gòu)橋的研究和應(yīng)用，填補了加筋混凝土橋梁跨度在普通剛構(gòu)橋(<220 m)和斜拉橋(>320 m)之間的空白，為山區(qū)公路橋梁建設(shè)增添了一種新途徑，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景[1]。

目前，一些學(xué)者對新型空腹式剛構(gòu)橋的施工過程受力分析[2]、設(shè)計參數(shù)影響和優(yōu)化[1，3]和抗震性能評價[4]等方面開展了少量研究，取得了初步的研究成果。研究表明，空腹式剛構(gòu)橋空腹區(qū)下弦桿與橋墩間夾角的取值對墩、梁固結(jié)處的應(yīng)力[1，3]影響顯著，對空腹區(qū)的力學(xué)性能影響較大；空腹區(qū)合攏點的撓度對該夾角變化敏感。因此，空腹區(qū)夾角的取值問題，對整座橋梁的安全和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有顯著的影響。為此，本文以貴州北盤江特大橋工程為依托，選取空腹區(qū)不同夾角合攏時施工過程中空腹區(qū)的受力與合攏點撓度為判別依據(jù)，運用大型有限元分析軟件ANSYS，對新型空腹剛構(gòu)橋的夾角取值問題進行優(yōu)化研究，提出該類橋空腹區(qū)夾角的合理取值范圍，為新型空腹式剛構(gòu)橋的工程設(shè)計提供參考，有助于其推廣應(yīng)用。

1 工程背景

中交第二公路勘察設(shè)計研究院設(shè)計的貴州省北盤江大橋(如圖1所示)是國內(nèi)第一座引入空腹式剛構(gòu)橋設(shè)計理念的特型大橋，它位于貴州省六盤水市水城縣發(fā)耳鎮(zhèn)和營盤鄉(xiāng)交界處，北盤江為其界河，橋址水城岸(北岸)屬于發(fā)耳鎮(zhèn)躍進村石板寨，盤縣岸(南岸)屬于營盤鄉(xiāng)紅德村。北盤江大橋起點樁號K30+747.5，終點樁號K32+002.5，全橋長1261米。橋跨布置為(5×30 m)+(82.5 m+220 m+290 m+220 m+82.5 m)+(3×30 m)+(4×30 m)，其中主橋為82.5 m+220 m+290 m+220 m+82.5 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空腹連續(xù)剛構(gòu)形式。

圖1 北盤江大橋示意圖

2 空腹區(qū)數(shù)值建模

依據(jù)該橋設(shè)計方案，空腹區(qū)上弦桿(箱梁)為變截面，下弦桿(箱梁)采用等截面。數(shù)值模擬軟件選用ANSYS，單元采用beam189單元[5-6]，建立空間變截面梁單元模型。數(shù)值建模流程如下：

1)自定義截面，根據(jù)橋梁節(jié)段施工的截面外形，通過命令流建立截面數(shù)據(jù)庫文件；

2)劃分面單元網(wǎng)格；

3)讀取截面數(shù)據(jù)庫文件，根據(jù)實際橋型，完成各個梁截面ID空間位置的定義。

根據(jù)上述步驟，建立北盤江特大橋7號墩(即圖1中墩高最高的橋墩)空腹區(qū)半邊結(jié)構(gòu)的有限元模型(見圖3)。

Beam189是七自由度(分別為UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ和翹曲自由度)三節(jié)點高次梁單元，選取該單元模擬實際箱梁結(jié)構(gòu)即節(jié)約內(nèi)存減少計算機運行時間，又可提高計算精度。超級梁單元的單元矩陣如式(1)所示。

(1)

考慮到空腹剛構(gòu)橋空腹區(qū)在懸臂施工態(tài)時的受力較成橋狀態(tài)更為不利，本文選取該橋懸臂施工態(tài)時空腹區(qū)的受力和空腹區(qū)合攏點撓度作為判斷合理夾角的依據(jù)，通過選取空腹區(qū)不同合攏點和空腹區(qū)開孔高度，實現(xiàn)下弦桿與橋墩間不同夾角的優(yōu)選分析。

為方便建模和節(jié)約運算成本，建模分析時采用的基本假定如下：

1)利用對稱性，取空腹區(qū)的半邊結(jié)構(gòu)分析；下弦桿線型采用以直代曲的方法；上、下弦桿截面形狀和材料參數(shù)與設(shè)計一致。計算簡圖如圖2所示。

圖2 空腹區(qū)模型簡化計算圖

2)有限元單元采用空間梁單元(即ANSYS中beam189單元)，如圖3所示。

圖3 空腹區(qū)簡化有限元模型

3)分析不同夾角空腹區(qū)力學(xué)性能時,各結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)尺寸、材料及荷載標準均相同；空腹區(qū)合攏后主梁后澆段和掛籃自重以集中荷載(集中力和集中彎矩)形式施加在合攏點處。

4)依據(jù)北盤江特大橋7號橋墩空腹區(qū)的具體情況，采用兩類分析模型模擬夾角α的最優(yōu)取值。一是控制空腹區(qū)的開孔高度不變(分別取33 m、30.75 m、29 m、27 m)，改變空腹區(qū)水平段長度；二是保持空腹區(qū)水平段長度不變(分別取 56 m、45 m)，改變空腹區(qū)的開孔高度。

3 結(jié)果及分析

表1和表2分別為典型的控制空腹區(qū)開孔高度(30.75 m)和控制空腹區(qū)水平段長度(45 m)不變條件下，不同空腹區(qū)合攏夾角時，空腹區(qū)桿件內(nèi)力以及合攏點撓度的計算結(jié)果。由表1可知，空腹區(qū)各桿件內(nèi)力響應(yīng)對空腹區(qū)夾角α的變化較為敏感。當(dāng)固定空腹區(qū)開孔高度時，下弦桿根部最大壓應(yīng)力、桿件最大拉應(yīng)力和合攏點最大撓度均隨合攏夾角(34.33°～63.62°)增大而逐漸增大，但當(dāng)夾角為55.63°時最大拉應(yīng)力及合攏點最大撓度出現(xiàn)明顯陡降，而壓應(yīng)力變化不明顯。最大壓應(yīng)力位置由箱梁底面與墩固結(jié)處，最大拉應(yīng)力位置則由上弦箱梁底板處變?yōu)轫敯逄帯Ｓ杀?可知，當(dāng)固定空腹區(qū)水平段長度時，下弦桿最大壓應(yīng)力、桿件最大拉應(yīng)力和合攏點最大撓度均隨合攏時夾角(45°～65°)增加而不斷增大。最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置保持不變，分別為下弦桿底板與墩固結(jié)處和下弦桿頂板與墩固結(jié)處。

表1 空腹區(qū)開孔高度為 30.75 m時計算結(jié)果

圖4、圖5、圖6分別繪制了空腹區(qū)不同開孔高度時下弦桿根部最大壓應(yīng)力、桿件最大拉應(yīng)力和合攏點最大撓度隨合攏夾角α的變化曲線圖。從圖中可以看出，在不同剛構(gòu)橋空腹區(qū)開孔高度條件下，桿件極值應(yīng)力和合攏點撓度隨合攏點夾角變化規(guī)律大致相同。下弦桿極值壓應(yīng)力呈逐漸增加趨勢，在53°～60°范圍內(nèi)出現(xiàn)小幅度下降，但變化不明顯。而桿件極值拉應(yīng)力和合攏點最大撓度在該范圍內(nèi)均出現(xiàn)明顯陡降，對于不同空腹區(qū)開孔高度，陡降時角度略有不同，且隨開孔高度增大而逐漸減小。

同理分析當(dāng)空腹區(qū)開孔高度一定時，下弦桿根部最大壓應(yīng)力、桿件最大拉應(yīng)力和合攏點最大撓度隨合攏夾角的變化規(guī)律。由變化規(guī)律可知，當(dāng)空腹區(qū)水平段長度為45 m時，桿件極值應(yīng)力和合攏點最大撓度對合攏點夾角變化均不明顯。當(dāng)空腹區(qū)水平段長度為56 m時，桿件極值應(yīng)力和合攏點最大撓度均隨合攏點夾角增加而不斷增大，且當(dāng)夾角大于65°時，增幅特別明顯。當(dāng)水平段長度分別為45 m和56 m時，下弦桿極值壓應(yīng)力隨夾角在50°～60°范圍內(nèi)相差不大。而拉應(yīng)力和合攏點最大撓度對空腹區(qū)水平段長度變化較為敏感。因此，為了使空腹區(qū)綜合力學(xué)性能較好，空腹區(qū)水平段長度不宜過大，空腹區(qū)夾角宜為50°～60°。

表2 空腹區(qū)水平段長度為 45 m時計算結(jié)果

圖4 不同空腹區(qū)開孔高度時壓應(yīng)力最大值隨夾角α的變化曲線圖

圖5 不同空腹區(qū)開孔高度時拉應(yīng)力最大值隨夾角α的變化曲線圖

圖6 不同空腹區(qū)開孔高度時合攏點撓度最大值隨夾角α的變化曲線圖

4 結(jié)論

運用有限元分析軟件ANSYS，對新型空腹剛構(gòu)橋空腹區(qū)合理夾角選取進行了數(shù)值模擬，著重分析了不同空腹區(qū)開孔高度和不同空腹區(qū)水平段長度時空腹區(qū)下弦桿最大壓應(yīng)力、桿件最大拉應(yīng)力和合攏點最大撓度隨合攏夾角α的變化規(guī)律，得出主要結(jié)論如下：

(1)高墩空腹剛構(gòu)橋空腹區(qū)的下弦桿壓應(yīng)力、桿件拉應(yīng)力和合攏點撓度隨空腹區(qū)夾角α增大而逐漸增大。桿件拉應(yīng)力和合攏點撓度在53°～60°范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯陡降，且陡降時角度隨開孔高度增大而逐漸減??；壓應(yīng)力變化幅度則不明顯。

(2)空腹區(qū)水平段長度變化對空腹區(qū)拉應(yīng)力和合攏點最大撓度影響較大，而對下弦桿最大壓應(yīng)力影響則較小。

(3)空腹區(qū)下弦與墩之間的夾角α取值為53°～60°時，空腹區(qū)綜合力學(xué)性能較好。

(4)空腹區(qū)應(yīng)力最危險位置為上弦與墩固結(jié)處、下弦根部和墩固結(jié)處及上下弦桿合攏點處，施工過程中應(yīng)重點對該局部區(qū)域的應(yīng)力進行監(jiān)測，保證空腹區(qū)在施工和運營過程中不至發(fā)生破壞。

[1] 顏燕祥.大型橋梁結(jié)構(gòu)基于ANSYS的優(yōu)化分析與數(shù)值模擬[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[2] 韓紅舉.290m空腹式剛構(gòu)橋三角區(qū)箱梁施工支架受力分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,30(3)：361-365.

[3] 盧斌，王凱華，李高超，等.設(shè)計參數(shù)對空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋關(guān)鍵截面內(nèi)力的影響[J].公路交通科技，2014,31(12)：73-77.

[4] 房慧明，龍曉鴻，樊劍，等.空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能評價[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013，35(7)：89-93.

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[6] 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.

(責(zé)任編輯：熊文濤)

Numerical Simulation of Reasonable Angle of New Open-web Continuous Rigid Frame Bridge

Yan Yanxiang

(SchoolofCivilEngineering,HubeiEngineeringUniversity，Xiaogan，Hubei432000，China)

A type of new open-web continuous rigid frame bridge, has been proposed and applied for patent by CCCC Second Highway Consultants Co.Ltd in recent years. For open-web region, the angle α between its lower chord and pier has a significant impact on the stress of zoon and mechanical property of open-web region. In this paper, different angles of open-web region for bridge closure process are simulated based on Guizhou Beipanjiang Bridge, using ANSYS software, and the force and deformation of the major components of open-web region are contrasted and analyzed. The results show that mechanical performance of hollow region is relatively good and deflection of closure point is relative minimum when the angle α is among 53 ° to 60 ° for this type of bridge.

open-web continuous rigid frame bridge；the angle of open-web region；numerical simulation；mechanical analysis

2016-08-11

顏燕祥(1985- )，男，湖北大悟人，湖北工程學(xué)院土木工程學(xué)院講師，武漢大學(xué)博士研究生。

U445

A

2095-4824(2016)06-0082-05