趙 磊

(山西長治公路勘察設(shè)計院， 山西 長治 046000)

某大跨連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計作用效應(yīng)分析

趙 磊

(山西長治公路勘察設(shè)計院， 山西 長治 046000)

以一座三跨連續(xù)剛構(gòu)橋為例，使用大型有限元軟件建立全橋結(jié)構(gòu)有限元模型，通過選取合理的分項系數(shù)，對不同設(shè)計荷載進(jìn)行組合，分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。針對該橋的施工階段和成橋階段分別進(jìn)行了作用效應(yīng)組合設(shè)計，經(jīng)分析表明，該橋梁設(shè)計同時滿足極限承載能力極限狀態(tài)及正常使用能力極限狀態(tài)設(shè)計要求。

連續(xù)剛構(gòu)橋； 有限元； 作用效應(yīng)

0 引言

隨著我國橋梁建設(shè)的持續(xù)大發(fā)展，大跨連續(xù)剛構(gòu)橋因其具有良好的受力特性以及成熟的施工技術(shù)，使其成為中大跨橋梁建設(shè)中重要的橋型，尤其是在山區(qū)溝谷等地形應(yīng)用廣泛。進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載分析并發(fā)現(xiàn)該類橋型的受力特點(diǎn)尤為重要。

潘鉆峰闡述了大跨連續(xù)剛構(gòu)橋中跨底板混凝土縱向開裂的力學(xué)機(jī)理，以一座跨徑布置為(140+268+140)m的單箱單室連續(xù)剛構(gòu)橋為例，提出了避免跨中箱梁底板縱向開裂與底板混凝土向下崩出和腹板豎向拉應(yīng)力過大的建議[1]；相類似的，劉心亮也分析了大跨連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)箱梁橋底板縱向開裂的原因，而且總結(jié)了預(yù)應(yīng)力鋼束防崩力的計算方法與預(yù)防措施[2]；孟新奇分析了大跨剛構(gòu)橋產(chǎn)生跨中下?lián)系脑颍J(rèn)為混凝土收縮徐變、設(shè)計及施工缺陷、混凝土裂縫對其影響較大，并以一座跨徑為(95+160+95)m的連續(xù)剛構(gòu)橋為例，說明了控制跨中下?lián)系拇胧3]；陳浩也以一座(55+100+55)m的連續(xù)剛構(gòu)橋為例，分析了長期下?lián)系脑虿⒔o出了控制措施[4]；羅旗幟研究了變截面多跨箱梁的剪力滯效應(yīng)，編制了梁高比、寬高比以及荷載形式等因素對剪力滯的影響圖表[5]；司徒毅研究變截面連續(xù)剛構(gòu)橋主梁剪力滯效應(yīng)時，將單箱雙室變截面連續(xù)剛構(gòu)橋主梁等效處理為彈性支座上的連續(xù)梁，利用最小勢能原理得到了考慮剪力滯效應(yīng)和橋墩變形影響的剛度方程，確定了主梁翼緣板的空間應(yīng)力與剪力滯系數(shù)，并結(jié)合實橋分析了變截面連續(xù)剛構(gòu)橋主梁的剪力滯效應(yīng)[6]；劉楊采用MIDAS與MATLAB計算分析軟件，提出了一種高效率的鋼管混凝土組合高墩連續(xù)鋼構(gòu)橋體系的可靠度計算方法[7]；黃文機(jī)對這類剛構(gòu)橋體系橋梁的受力及其適用范圍作了評述，并提出若干建議[8]；劉榕以山店江大橋為例，介紹了高山峽谷區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計計算與關(guān)鍵技術(shù)問題[9]；楊愛武分析了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)箱型截面主梁的受力行為，并分析了影響箱梁受力的一些主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)[10]；鞏春領(lǐng)結(jié)合模型試驗與實橋荷載試驗，探討了大跨預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的力學(xué)特點(diǎn)與使用性能[11]。本文以一座三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁為工程算例，建立全橋有限元模型，進(jìn)行各種狀態(tài)下的作用效應(yīng)分析。

1 工程項目概況及有限元模型

該橋為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，采用分離式主梁，橋孔布置為94 m+180 m+94 m，全長368 m。單幅橋面寬度為13 m，其中行車道寬度12 m。左側(cè)橋墩高97 m，右側(cè)橋墩高95 m。

計算取單幅橋主梁、橋墩兩部分，計算采用有限元分析軟件。在模擬分析時主梁與橋墩均離散為空間梁單元，墩梁采用剛性連接，墩底采用固結(jié)。有限元模型共有梁單元196個。計算模型見圖1。

圖1 有限元模型

2 結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)分析

2.1 作用取值

進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計作用效應(yīng)分析的主要依據(jù)為參考文獻(xiàn)[12]和[13]。主要參數(shù)有： ①設(shè)計荷載：公路 — Ⅰ級：車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10.5 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值為360 kN； ②梯度溫度：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)取值，從梁頂面取14 ℃,距頂面10 cm取5.5 ℃, 距頂面40 cm取0 ℃，負(fù)溫差按-0.5倍正溫差取值； ③體系溫度：整體升溫20 ℃，整體降溫25 ℃； ④收縮徐變： 按JTG D60 — 2004規(guī)范取值，計算到3800 d； ⑤支座強(qiáng)迫位移：過渡墩取2 cm，主墩取2.5 cm。

2.2 施工階段

2.2.1 施工階段的應(yīng)力驗算

通過計算，可以得到各個施工階段過程的主梁應(yīng)力圖。其中頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在新澆注中跨合攏段尚未施加預(yù)應(yīng)力時，底板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在新澆注邊跨合攏段尚未施加預(yù)應(yīng)力時。

當(dāng)邊跨合攏，張拉底板束完畢時，頂板最大應(yīng)力為-0.004 MPa，最小應(yīng)力為-12.1 MPa；底板最大應(yīng)力為0.172 MPa，最小應(yīng)力為-10.6 MPa，底板的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中的20號塊。當(dāng)中跨合攏，張拉底板束完畢時，頂板最大應(yīng)力為-0.004 MPa，最小應(yīng)力為-12.7 MPa；底板最大應(yīng)力為-0.004 MPa，最小應(yīng)力為-10.1 MPa，均為壓應(yīng)力。

2.2.2 施工最大雙懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性驗算的設(shè)計荷載組合為成橋狀態(tài)恒載+汽車荷載+整體升溫+正溫度梯度。選取施工最不利施工狀態(tài)，即最大雙懸臂狀態(tài)。作用效應(yīng)組合為： 1.0×恒載+1.0×掛籃荷載。圖2給出了左側(cè)橋墩(高97 m)最大懸臂時的失穩(wěn)模態(tài)，計算此施工狀態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)為25.65。

圖2 施工最大雙懸臂狀態(tài)下失穩(wěn)模態(tài)

2.3 成橋階段

2.3.1 支座不均勻沉降作用效應(yīng)

首先計算了成橋階段自重作用下橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力：頂板最大應(yīng)力為-0.006 MPa，最小應(yīng)力為-11.24 MPa，底板最大應(yīng)力為0.15 MPa，最小應(yīng)力為-9.81 MPa。圖3給出了成橋運(yùn)營階段支座沉降引起的頂板應(yīng)力包絡(luò)示意圖，其中頂板最大應(yīng)力為0.53 MPa，最小應(yīng)力為-0.43 MPa，底板最大應(yīng)力為0.59 MPa，最小應(yīng)力為-0.74 MPa。

圖3 支座沉降引起頂板應(yīng)力包絡(luò)示意圖

2.3.2 汽車與溫度荷載作用效應(yīng)

成橋使用狀態(tài)下，活載主要考慮汽車荷載，整體升溫，整體降溫，正溫度梯度與負(fù)溫度梯度，5種活載。表1給出了各種活載產(chǎn)生的最大位移。

表1 各工況下的梁體最大位移

2.3.3 承載能力極限狀態(tài)驗算

作用效應(yīng)組合為：1.1×[1.2×恒載+1.4×汽車荷載(包含沖擊力)]。經(jīng)計算主梁抗彎承載力滿足要求，其主梁的抗彎承載能力計算結(jié)果如表2(包括支座處，跨中附近處)。

表2 主梁的抗彎承載能力

除考慮上述作用效應(yīng)組合外，同時還應(yīng)考慮其他荷載組合，使大橋結(jié)構(gòu)滿足承載能力極限狀態(tài)。

2.3.4 正常使用極限狀態(tài)驗算

1) 抗裂驗算。

抗裂驗算考慮的作用效應(yīng)組合為：1.0×恒載+0.7×汽車荷載(不包含沖擊力)。通過計算抗裂性滿足要求。表3給出了主梁抗裂性驗算計算結(jié)果，此處只包括支座處和跨中附近。

表3 主梁的抗裂性驗算計

2) 最大壓應(yīng)力驗算。

最大壓應(yīng)力驗算考慮的作用效應(yīng)組合為：1.0×恒載+1.0×汽車荷載(包含沖擊力)。通過驗算最大應(yīng)力滿足要求。表4給出了主梁最大壓應(yīng)力驗算計算結(jié)果，此處只給出了支座處和跨中附近的結(jié)果。

3 結(jié)語

表4 主梁的壓應(yīng)力驗算計算結(jié)果

本文通過有限元軟件建立某大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的三維有限元模型，對該連續(xù)剛構(gòu)橋的施工階段和成橋階段分別進(jìn)行了作用效應(yīng)分析。計算分析了施工階段的應(yīng)力與穩(wěn)定性，詳細(xì)分析了成橋階段的承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)的作用效應(yīng)，計算分析表明，該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范各種要求。

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