張 輝

(湖南中大建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410205)

某大跨剛構(gòu)橋0號塊空間應(yīng)力數(shù)值分析

張 輝

(湖南中大建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410205)

以某連續(xù)剛構(gòu)橋工程為背景，采用MIDAS有限元數(shù)值計算軟件，建立0號塊實體模型，并對該橋的0號塊單元的空間受力情況進(jìn)行分析。分析表明，橫隔板與腹板連接處和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)域內(nèi)存在應(yīng)力集中，應(yīng)力不均勻分布；箱梁裂縫形成的關(guān)鍵原因主要是局部應(yīng)力較大，對于箱梁裂縫需要展開更為精細(xì)的空間受力分析。研究結(jié)果為工程施工的安全及質(zhì)量控制提供了數(shù)據(jù)和理論支撐，對工程順利進(jìn)行有重要的作用。

連續(xù)剛構(gòu)橋； 0號塊； 空間受力； 數(shù)值模擬

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋由于其具有獨特的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于公路橋梁的建設(shè)中，成為了具有相當(dāng)競爭力的主要橋型之一[1-3]。連續(xù)剛構(gòu)橋的上部結(jié)構(gòu)的0號塊與橋墩固結(jié)形成剛構(gòu)體系，0號塊是全橋關(guān)鍵受力部位，也是主梁施工的起始部位，并且0號塊中通常會布置普通鋼筋、三向預(yù)應(yīng)力筋、錨具、預(yù)埋件等，因此，0號塊構(gòu)件的受力極為復(fù)雜[4-8]。施工控制不當(dāng)，極有可能會因受力不均產(chǎn)生裂隙，影響橋梁結(jié)構(gòu)壽命及運營安全。

目前，我國規(guī)范常采用平截面假定方法模擬連續(xù)剛構(gòu)橋在自重及外荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，但由于預(yù)應(yīng)力對箱梁的作用，使得梁體受力極為復(fù)雜，梁單元模擬計算通常會產(chǎn)生設(shè)計缺陷，容易使箱梁腹板出現(xiàn)裂縫病害[9]。因此，該方法不能全面有效地計算梁體的受力特點。

基于此，需要在橋梁的設(shè)計和施工時采用實體單元對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間受力分析，達(dá)到準(zhǔn)確分析橋梁0號塊結(jié)構(gòu)空間受力情況的目的。本文以某連續(xù)鋼筋混凝土剛構(gòu)橋工程為背景，采用MIDAS/FEA有限元數(shù)值計算軟件，對該橋的0號塊采用實體單元對橋梁的空間結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，為工程施工的安全及質(zhì)量控制提供了數(shù)據(jù)和理論支撐，對工程的順利進(jìn)行極為關(guān)鍵。

1 工程背景

1.1 工程簡介

本文結(jié)合某公路大跨度鋼筋混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計工程，大橋的平面布置如圖1所示。橋梁結(jié)構(gòu)類型為55 m+2×100 m+55 m的鋼筋混凝連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面凈寬為33.5 m(包含兩側(cè)防護(hù)欄共1.0 m，兩側(cè)行車道共30.5 m，中央分隔帶2.0 m)，設(shè)計車速為100 km/h，車輛荷載等級標(biāo)準(zhǔn)采用公路-Ⅰ級。

圖1 橋梁平面布置圖(單位： m)

橋梁主梁截面形式采用變截面單箱單室箱梁形式，梁高的變化隨拋物線變化，0號塊主梁高度為6.0 m，跨中梁高為2.6 m，箱梁頂板寬度為16.65 m，厚度為0.32 m。底板厚度從根部的0.8 m按照拋物線變化至跨中截面的0.32 m，腹板厚度采用0.55 m和0.7 m兩種形式，橋墩上部范圍內(nèi)的箱梁頂板厚度為0.5 m，底板厚度為1.1 m，腹板厚度為0.9 m。下部結(jié)構(gòu)采用雙薄壁空心墩、樁基礎(chǔ)。主梁的0號塊斷面圖如圖2所示。

圖2 0號塊斷面示意圖(單位： cm)

1.2 材料性質(zhì)

該橋梁的樁基礎(chǔ)、底系梁以及引橋承臺均采用C25標(biāo)號混凝土，引橋橋墩、蓋梁、耳背墻、主橋承臺均采用C30標(biāo)號混凝土，主橋橋墩墩身采用C40標(biāo)號混凝土，上部結(jié)構(gòu)箱梁及橋面采用C50標(biāo)號混凝土。

剛構(gòu)橋的主橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束主要采用22Φs15.20和19Φs15.20型號的鋼絞線，對應(yīng)的錨具分別采用OVM15-22及OVM15-19。鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為σcon=1 395 MPa。主橋橫向預(yù)應(yīng)力鋼束主要采用3Φs15.20型號的鋼絞線，布置間距為50 cm，采用BM15-3錨具，進(jìn)行單端交叉張，鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為σcon=1 395 MPa。主橋的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用JL32高強(qiáng)精軋螺紋鋼，進(jìn)行單端張拉，張拉控制力為560 kN。均采用預(yù)埋的塑料波紋管作為預(yù)應(yīng)力管道，各型號鋼筋及鋼板性能均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

2 建立全橋模型

2.1 模型建立

MIDAS/Civil有限元軟件具有強(qiáng)大的三維仿真計算能力。為了真實反映0號塊應(yīng)力情況，精確的選擇邊界條件及荷載施加，依據(jù)圣維南原理，選取全橋中間部位單薄壁空心墩墩身15 m長度、0號塊及兩側(cè)的1號塊、2號塊、3號塊、4號塊構(gòu)成整體進(jìn)行空間受力分析。本文采用空間有限元中的

實體單元對連續(xù)剛構(gòu)橋構(gòu)建三維模型，實體模型總共包含66 460個節(jié)點，223 446個單元，見圖3。對模型進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，其劃分尺寸為 0.3 m。選取0號塊底部與墩身固結(jié)的中心位置作為坐標(biāo)原點，梁高度方向為Z方向，橋梁縱向為X方向，橋梁橫向為Y方向。鋼束網(wǎng)格模型中包含縱向、橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，橫向鋼束對稱布置，間距為50 cm，豎向鋼束左右對稱布置，腹板內(nèi)雙肢布置，間隔為38 cm，鋼束三維實體模型如圖4所示。

圖3 單元三維實體模型

圖4 鋼束三維實體模型

2.2 材料參數(shù)設(shè)置

橋墩墩身及主梁結(jié)構(gòu)混凝土分別為C40和C50標(biāo)號混凝土，其主要性能指標(biāo)如表1所示。此外，混凝土的容重為25.0 kN/m3，混凝土的泊松比為0.2，混凝土的線膨脹系數(shù)為0.000 01 ℃。

表1 混凝土主要指標(biāo)參數(shù)混凝土強(qiáng)度等級彈性模量Ec/MPa抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fcd/MPa軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ftd/MPaC4032500185166C5034500226184

剛構(gòu)橋的主橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束主要采用22Φs15.20型號的鋼絞線，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 鋼絞線的主要指標(biāo)參數(shù)彈性模量Ep/MPa抗拉強(qiáng)度fpk/MPa張拉控制應(yīng)力σcon/MPa鋼束摩擦系數(shù)μ影響系數(shù)K鋼束松弛系數(shù)ξ錨具變形Δ/mm線膨脹系數(shù)/℃1950001865139001700015030550000011

2.3 邊界及加載條件

邊界條件的設(shè)置：為了與實際情況相同，通過將橋墩底部進(jìn)行各向剛性固定方式，墩身頂部與箱梁連接部位采取彈性連接剛性的方式。

加載條件：該連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诖罂鐝綐蛄海瑫r主梁斷面為變截面單箱單室箱梁，因而在進(jìn)行橋梁計算分析時，應(yīng)該重點考慮橋梁自重應(yīng)力、外荷載以及溫度效應(yīng)的影響。恒載主要為結(jié)構(gòu)自重，按容重計算為325 kN/m；二期荷載作用按照局部荷載來布置；主梁部位的橫隔板及加勁梁的荷載作用，軟件中采用等效的集中荷載作用到相應(yīng)部位。通過計算得到模型兩側(cè)位置施加荷載值，見表3。

表3 模型兩側(cè)作用荷載值部位軸力/kN法向力/kN彎矩值/(kN·m)左側(cè)-1373027617186141-13919501右側(cè)-13743263-1716929-13934179

2.4 荷載工況

施工過程中的荷載主要有恒載、鋼束張拉引力引起的荷載、結(jié)構(gòu)超靜定引起鋼束張拉作用產(chǎn)生附加荷載、收縮與徐變引起的荷載、結(jié)構(gòu)超靜定引起鋼束收縮與徐變作用的附加荷載、橋梁結(jié)構(gòu)由于溫度變化引起的溫度效應(yīng)荷載。在MIDAS軟件中，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)要求，可考慮整體降溫及溫度梯度效應(yīng)的影響對荷載進(jìn)行組合。荷載組合情況及相應(yīng)系數(shù)取值見表4。

表4 荷載工況及系數(shù)荷載工況系數(shù)荷載工況系數(shù)恒載10徐變二次10二期荷載10升(降)溫10鋼束一次10溫度梯度08鋼束二次10活載06667收縮二次10

3 實體單元空間應(yīng)力分析

通過MADIS有限元模擬0號塊腹板正應(yīng)力空間應(yīng)力分布情況，選取Y=0位置的腹板剖面，得到腹板內(nèi)外側(cè)正應(yīng)力云圖如圖5所示，單位為MPa。

從圖5中可知，在腹板內(nèi)側(cè)位置橫隔板周邊存在拉應(yīng)力，其余部位為壓應(yīng)力，且底端的壓應(yīng)力較大。出現(xiàn)這種原因主要是端部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，縱向預(yù)應(yīng)力筋的錨固在底端也產(chǎn)生集中應(yīng)力。此外，橫隔板的作用和墩頂結(jié)構(gòu)的影響，產(chǎn)生集中力，出現(xiàn)部分拉應(yīng)力。在腹板外側(cè)均為壓應(yīng)力，在橫隔板附近出現(xiàn)應(yīng)力集中。分析表明橫隔板的設(shè)置對腹板正應(yīng)力有重要的影響。

a) 內(nèi)側(cè)云圖 b) 外側(cè)云圖

腹板內(nèi)外側(cè)主拉、壓應(yīng)力云圖如圖6和圖7所示，單位為MPa。

a) 內(nèi)側(cè)云圖 b) 外側(cè)云圖

a) 內(nèi)側(cè)云圖 b) 外側(cè)云圖

從圖6中可看出，腹板內(nèi)外側(cè)的主拉應(yīng)力均較小，除橫隔板作用處出現(xiàn)主拉應(yīng)力較大外，其余位置分布較為均勻。從圖7中可以看出，腹板的主壓應(yīng)力，在腹板內(nèi)側(cè)位置橫隔板周邊存在較大的主壓應(yīng)力，腹板外側(cè)橫隔板附近的主壓應(yīng)力從上到小逐步的減小，其分布規(guī)律與正應(yīng)力分布規(guī)律類似。

為了進(jìn)一步地對比研究實體模型的不同截面的空間受力情況，研究選取主梁底部2號塊、3號塊、4號塊作為研究對象進(jìn)行分析，對研究截面進(jìn)行編號，3號塊與4號塊分界位置劃為A截面，2號塊與3號塊分界位置劃為B截面，A，B截面處為預(yù)應(yīng)力彎束錨固截面，以A、B截面為中心，分別向左右兩側(cè)1 m位置取2個截面，分別劃為A-1、A+1截面與B-1、B+1截面，截面劃分示意圖如圖8所示。

圖8 截面劃分示意圖

通過有限元計算得到實體單元不同截面的正應(yīng)力大小，并依據(jù)計算數(shù)值繪制不同截面正應(yīng)力隨梁高的變化曲線圖，如圖9所示。

圖9 不同截面正應(yīng)力變化曲線

從圖9可以看出，各截面正應(yīng)力變化曲線隨著梁高增大均表現(xiàn)為增大趨勢。但在A-1、A、B-1、B截面上正應(yīng)力存在突變，主要是因為該位置是為縱向鋼束下彎錨固位置及錨固前截面位置，存在較大的預(yù)應(yīng)力集中荷載的作用，使得錨固區(qū)域內(nèi)截面的正應(yīng)力分布不均勻變化。

4 結(jié)論

本文采用MADIS/FEA有限元數(shù)值計算軟件，結(jié)合混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的實際情況，考慮預(yù)應(yīng)力鋼

束作用，采用合理的材料參數(shù)、邊界條件、荷載組合情況對橋梁0號塊單元進(jìn)行實體建模及成橋階段空間受力情況進(jìn)行了分析，通過實體單元的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)橫隔板與腹板連接處和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)域內(nèi)存在應(yīng)力集中，應(yīng)力不均勻分布，同時根據(jù)空間受力分析可以發(fā)現(xiàn)箱梁裂縫形成的關(guān)鍵原因主要是因為局部應(yīng)力較大。因而對于箱梁裂縫的研究需要展開更為精細(xì)的空間受力分析。研究結(jié)果為工程施工的安全及質(zhì)量控制提供了數(shù)據(jù)和理論支撐，對工程順利進(jìn)行有重要的作用。

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