劉貴平
(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550008)
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對比分析斜交橋梁空間計算模型
劉貴平
(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550008)
針對斜交橋梁工程計算,結(jié)合實(shí)例,在簡單介紹幾種橋梁常用空間計算模型的基礎(chǔ)上,分別采用實(shí)體單元模型與空間梁格單元模型對斜交橋梁實(shí)施空間計算,提出各計算模型應(yīng)用的要點(diǎn),并通過對比分析,得出空間梁格單元模型能很好反映出斜交橋受力情況,但要注意剔除由預(yù)應(yīng)力直接引發(fā)的邊肋平面外彎矩的結(jié)論,旨在為類似斜交橋的工程計算工作提供可靠的依據(jù)和參考。
斜交橋;空間計算模型;實(shí)體單元模型;空間梁格單元模型;對比分析
此次研究的主要對象為一座6跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁斜交橋,橋跨實(shí)際布置情況為:18+20+3×25+22(m)連續(xù)箱梁,墩號17~23號,3×25跨斜交約27°,分別在19、20、21、22號墩上設(shè)置支座。于19號墩上布置一個固定支座,也就是支座7,其它墩橋布置活動支座,活動方向根據(jù)實(shí)際要求妥善選取。該斜交橋選用單箱三室等截面箱形梁結(jié)構(gòu),鉛垂中心線上的梁高為1.4 m,箱梁頂部寬度為16.5 m,底端寬度為11.8 m,橋梁表面呈2°左右的橫坡。箱梁的跨間位置上未設(shè)置橫隔板,只是在支點(diǎn)位置上布設(shè)橫梁。在箱梁的縱向方向上,使用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),橫向未設(shè)置。預(yù)應(yīng)力類型為傳統(tǒng)腹板束。橋面雙向三車道,擬定荷載情況為:汽—超20,掛車—120,根據(jù)該橋?qū)嶋H情況對兩種空間計算模型進(jìn)行對比分析。
2.1 斜交橋?qū)嶓w單元模型
運(yùn)用有限元計算軟件ANSYS模擬實(shí)體單元模型?;炷恋哪M選用solid45單元,預(yù)應(yīng)力筋束的模擬選用link8單元,以降溫為主要手段對預(yù)應(yīng)力進(jìn)行施加。離散的最終結(jié)果為1.68×105個單元,其中混凝土的梁體單元占比93.45%,約為1.57×105個,預(yù)應(yīng)力筋束的梁體單元占比6.55%,約為1.1×104個。
2.2 斜交橋空間梁格模型
梁格法對于模型的要求較為特殊,可歸納為等效性,即為實(shí)際結(jié)構(gòu)與模型荷載一致時,二者實(shí)際撓曲必須相等,而且梁格模型內(nèi)力還要和結(jié)構(gòu)內(nèi)力完全相同。然而,由于梁格模型體系與實(shí)體結(jié)構(gòu)存在一定差異,這種等效性要求很難在實(shí)際情況中實(shí)現(xiàn),可采取近似模擬的方法解決這樣的問題,由此可見,可以將梁格法理解成一種基于近似模擬的空間計算方法。為進(jìn)一步提升梁格模型準(zhǔn)確度,在對梁格進(jìn)行劃分的過程中,應(yīng)充分考慮以下影響因素:
(1) 梁體在受彎過程中,截面實(shí)際上是圍繞相同中性軸進(jìn)行彎曲的,因此各不同中性軸之間應(yīng)保持良好的位置關(guān)系。
(2) 桿件需要和梁肋對應(yīng)中心線完全重合,確保腹板上的剪應(yīng)力直接由梁格構(gòu)件承擔(dān)。
(3) 為確保荷載靜力分布具有足夠的靈敏度,橫向桿件之間的距離應(yīng)得到嚴(yán)格的控制,通常要保持在縱向間距限度之內(nèi)。
充分考慮上述因素,模擬時先進(jìn)行離散處理,將箱梁的縱向等分成四種梁肋。為確保計算準(zhǔn)確無誤,每一個梁肋都需按照規(guī)則離散成一定數(shù)量的空間單元,單元實(shí)際長度不得超出0.5 m,然后根據(jù)空間單元數(shù)量在跨間設(shè)置橫梁,進(jìn)而對橫向的橋面體系進(jìn)行模擬,相鄰兩個橫梁之間的距離需嚴(yán)格控制在1.0 m,支座橫梁按照實(shí)際空間結(jié)構(gòu)完成建模,同樣需要進(jìn)行離散處理。通過以上處理,全結(jié)構(gòu)被劃分成2 789個空間單元。
3.1 自重荷載對比
在考慮自重荷載的情況下,對兩種空間計算模型實(shí)施對比,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,在自重荷載的作用下,兩模型的空間計算結(jié)果基本吻合,但跨中與支座位置的梁格計算結(jié)果稍大,但在容許范圍之內(nèi)。
圖1 自重荷載作用下模型對比結(jié)果
3.2 預(yù)應(yīng)力對比
預(yù)應(yīng)力施加完畢以后,兩種模型的應(yīng)力計算結(jié)果基本吻合。但斜支座周邊比其余位置稍差,主要因?yàn)榱焊穹ㄔ谔幚斫孛鏁r會產(chǎn)生少許近似誤差,不會對最終結(jié)果造成較大影響。
在運(yùn)用梁格法實(shí)施空間計算的過程中,應(yīng)注意剔除由預(yù)應(yīng)力直接引發(fā)的邊肋平面外彎矩。從箱梁整體截面的角度講,預(yù)應(yīng)力筋的布置是完全對稱的,對梁格進(jìn)行劃分以后,邊肋的截面會變成非對稱的形式,若此時按照原設(shè)計方案對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行布置,則會產(chǎn)生一定平面外彎矩,與真實(shí)受力存在差異,所以必須在分析過程中將其完全剔除。彎矩剔除后,梁格模型即可十分準(zhǔn)確的反映出實(shí)體模型,而如果沒有完全剔除,會造成較大的應(yīng)力偏差,因此,在空間計算模擬的過程中,需對此引起足夠的重視。
(1)梁格法能很好的反映出斜交橋的受力情況,空間計算結(jié)果和模型基本吻合,而且建模的過程也十分簡便,具有較高的應(yīng)用與推廣價值。
(2)在運(yùn)用梁格法進(jìn)行建模的過程中,單元劃分必須科學(xué)合理,保證經(jīng)過離散處理后的模型滿足等效性要求,橫向梁格之間的距離應(yīng)得到嚴(yán)格的控制,如果具備較好的硬件實(shí)力,可進(jìn)一步細(xì)化單元劃分,以有效提升空間計算的準(zhǔn)確度。
(3)在施加預(yù)應(yīng)力的過程中,梁格模型會產(chǎn)生一定平面外彎矩,若未進(jìn)行有效處理,會對計算結(jié)果造成嚴(yán)重的影響,因此在后續(xù)分析過程中,必須將這一部分彎矩剔除,以保證計算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確度。
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2016-03-11
劉貴平(1986-),貴州仁懷人,助理工程師,研究方向:交通檢測。
U442
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1008-3383(2016)07-0133-01