林光忠

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

近年由于福廈漳高速公路沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和交通量迅速增加，使得其服務(wù)水平逐漸降低，交通壓力越來越大。 高速公路及時(shí)擴(kuò)建是緩解交通運(yùn)輸壓力和提高運(yùn)輸服務(wù)水平的必要措施[1]。鳳山分離式立交大橋位于福廈漳高速?gòu)B門段A2 標(biāo)段內(nèi)， 是聯(lián)系廈門市區(qū)和漳州市區(qū)的紐帶，發(fā)揮著極其重要的交通運(yùn)輸作用，對(duì)帶動(dòng)廈門市和漳州市的建設(shè)以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的繁榮具有重要意義。

橋梁拼寬改造的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何確定舊橋與拼寬新橋部分的縱向接縫， 以及縱向接縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)局部和整體受力性能的影響[2-3]。 現(xiàn)對(duì)鳳山分離式立交橋連同拼寬新橋運(yùn)用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行模擬分析，從而為掌握拼寬新橋和舊橋的整體受力性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)以及施工監(jiān)控提供理論依據(jù)。

1 工程概況

鳳山分離式立交大橋原橋上部結(jié)構(gòu)采用27.2＋42.4＋27.2m 三孔一聯(lián)預(yù)應(yīng)力砼低高度連續(xù)梁， 橋梁全長(zhǎng)104.96m，上跨國(guó)道324 線，與國(guó)道斜交55°。 下部結(jié)構(gòu)：全橋采用樁基礎(chǔ)，共32 根樁，其中磨擦樁30 根，柱樁2 根，橋墩均為獨(dú)柱墩。 原橋面寬為2×12.5m，根據(jù)福廈漳高速公路擴(kuò)建標(biāo)準(zhǔn)，全橋雙側(cè)各加寬8m，使得擴(kuò)建后的橋面寬為2×20.5＋1m。本文對(duì)完全鉸接、半剛性連接和剛性連接3種縱向接縫連接形式進(jìn)行數(shù)值模擬分析，3 種構(gòu)造見圖1。

圖1 3 種構(gòu)造示意圖

2 動(dòng)力特性分析

2.1 計(jì)算模型

采用ANSYS 分析軟件建立有限元模型，按結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸對(duì)全橋進(jìn)行建模。模型采用笛卡爾三軸坐標(biāo)。X 軸沿橋縱軸方向，Y 軸豎向向上，Z 軸為水平橫橋方向，垂直橋縱軸線。 有限元模型如圖2 所示。

圖2 整體有限元模型和局部有限元模型

2.2 單元類型和材料參數(shù)

在有限元模型中，全橋采用solid45 單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用link8 單元模擬。 基本材料參數(shù)為①C50 混凝土： 新舊橋主體結(jié)構(gòu)， 彈性模量E=3.45×104MPa， 容重Dens=24.5kN/m3，密度2.50×103kg/m3，泊松比0.167；②C40混凝土：新舊橋橋面鋪裝，彈性模量E=3.25×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度2.50×103kg/m3，泊松比0.167；③7φ5 鋼絞線：預(yù)應(yīng)力筋，彈性模量E=1.95×105MPa，泊松比0.3，線膨脹系數(shù)1.2×10－5。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過有限元模型的實(shí)際模擬分析， 計(jì)算得到各階的頻率見表1，各階的振型見圖3。 從動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果來看，3 種模型的頻率非常接近，說明3 種連接方式的橋梁整體剛度非常接近， 不同連接方式對(duì)橋梁整體剛度影響很小。

表1 各階自振頻率

圖3 各階振型

3 靜力特性分析

3.1 加載布置

按公路-1 級(jí)車道荷載進(jìn)行橋梁的整體計(jì)算，分為正彎矩工況加載和負(fù)彎矩工況加載[4-5]，按照剛接模型、半剛接模型和鉸接模型先后進(jìn)行靜力分析。 根據(jù)跨中和內(nèi)支座截面的影響線對(duì)橋梁進(jìn)行活載的不利布置， 縱橋向布置如圖4 所示，橫橋向布置分別按新舊橋滿載（分2 輛車和4 輛車兩種情形）、偏載（分2 輛車和4 輛車2 種情形）和接縫局部（2 輛車）進(jìn)行。

圖4 荷載縱向布置(單位：cm)

3.2 自重和預(yù)應(yīng)力作用下新舊橋梁的靜力特性分析

因新舊橋是不同時(shí)間建造， 所以應(yīng)對(duì)其在重力作用下的靜力特性分別計(jì)算，具體為通過ANSYS 軟件分別建立舊橋、新橋的有限元模型，分別施加重力荷載并求解。在ANSYS 模型進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加載時(shí)，本文采用應(yīng)用最多的降溫法進(jìn)行加載和分析[6-7]。 具體模擬為新舊橋模型中預(yù)應(yīng)力筋采用LINK8 單元進(jìn)行，在索桿結(jié)構(gòu)分析中，LINK8單元用來模擬其中的剛性桿。 對(duì)預(yù)應(yīng)力筋單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而后對(duì)其施加溫度荷載，使其收縮，達(dá)到模擬預(yù)應(yīng)力的目的。

通過模擬分析， 得到舊橋和拼寬新橋各自在自重下的撓度和在預(yù)應(yīng)力效應(yīng)下的預(yù)拱度， 沿橋面寬度分布曲線見圖5。 可以看出，自重作用下新橋和舊橋的下?lián)媳容^接近， 說明兩者剛度比較接近， 新橋剛度略小于舊橋剛度。而新橋在預(yù)應(yīng)力作用下的上拱要小于舊橋上拱，需在施工中引起注意。

3.3 撓度沿橋橫向分布和縱向分布

通過數(shù)值模擬分析， 可得到各加載工況下不同接縫連接形式跨中截面的撓度結(jié)果和各關(guān)鍵點(diǎn)撓度沿橋橫向分布曲線。因計(jì)算結(jié)果表格和分布曲線較多，故不在此一一羅列，下面的應(yīng)力分析和沉降分析也是如此。從計(jì)算結(jié)果和分布曲線可得到撓度橫向分布的規(guī)律為： ①3 種模型的撓度橫向分布曲線幾乎重合， 說明3 種模型的剛度比較接近； ②最大撓度發(fā)生在舊橋偏載4 輛車的荷載作用，3 種模型最大撓度均為3.73mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的撓度限值，說明橋梁的整體剛度比較大。

在正彎矩加載工況作用下， 分別繪制撓度沿橋梁縱向分布曲線，以觀察全橋變形是否協(xié)調(diào)，從其分布曲線中可得到以下規(guī)律：①撓度沿橋梁縱向分布變化均勻，撓度曲線光滑；②3 種連接形式下，橋梁撓度沿縱向變化基本一致。在負(fù)彎矩加載工況作用下，從撓度沿橋梁縱向分布曲線可得到以下規(guī)律：①撓度沿橋梁縱向分布變化均勻，撓度曲線光滑；②在負(fù)彎矩工況作用下，3 種模型的縱向撓度分布曲線基本吻合。

3.4 應(yīng)力分析

3.4.1 中跨跨中L/2 截面應(yīng)力分析

當(dāng)進(jìn)行正彎矩工況計(jì)算時(shí)， 中跨L/2 截面為全橋最不利截面。通過模擬分析，可得到各不同縱向接縫連接形式下，中跨L/2 截面橋梁頂板控制點(diǎn)的應(yīng)力比較曲線，從中可得出以下規(guī)律： ①3 種連接模型頂板縱向應(yīng)力橫向分布曲線形狀相近， 說明3 種連接方式具有比較相近的荷載傳遞效果；②在汽車荷載作用下，應(yīng)力總體較??；③由于橋梁寬度較大，并且斜角，頂板并不完全處于受壓狀態(tài)，在偏載作用下，由作用一側(cè)受壓，逐漸變化為遠(yuǎn)端受拉，其中新橋4 輛車偏載作用產(chǎn)生的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為0.72MPa，最大拉應(yīng)力為0.14MPa。

3.4.2 內(nèi)支座截面應(yīng)力分析

如同正彎矩加載作用下， 中跨L/2 截面為全橋最不利截面，在負(fù)彎矩加載工況下，內(nèi)支座截面為全橋最不利截面。通過模擬分析，可得到3 種連接模型內(nèi)支座截面橋梁頂板關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力和支座截面上緣應(yīng)力沿橋面寬度分布曲線， 從中可得出以下規(guī)律：①3 種連接模型頂板應(yīng)力橫向分布曲線形狀相近， 說明3 種接縫具有比較相近的荷載傳遞效果；②頂板并不完全處于受拉狀態(tài)，在偏載作用下，由作用一側(cè)受拉，逐漸變化為遠(yuǎn)端受壓，其中新橋4 輛車偏載作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，為0.51MPa。

3.5 新舊橋不均勻沉降的數(shù)值計(jì)算分析

由于老橋已經(jīng)建成通車多年， 其基礎(chǔ)沉降已基本穩(wěn)定，而拓寬部分橋梁會(huì)隨著時(shí)間的推移，可能會(huì)不斷發(fā)生沉降。新舊墩臺(tái)基礎(chǔ)相對(duì)沉降是指拓寬墩臺(tái)的正常沉降，會(huì)引起拓寬部分梁體的下?lián)希?從而會(huì)直接影響到新舊橋及其連接結(jié)構(gòu)受力， 這就是在拓寬工程中的基礎(chǔ)不均勻沉降問題， 在此主要對(duì)橋梁翼緣懸臂連接段進(jìn)行受力分析。

3.5.1 計(jì)算工況

沉降計(jì)算的工況如下： 工況1 為支座沉降5mm；工況2 為新橋支座沉降7.5mm；工況3 沉降10mm。 分別對(duì)3 種連接模型進(jìn)行支座沉降的3 個(gè)工況有限元模擬計(jì)算。

3.5.2 沉降影響比較分析

通過數(shù)值模擬分析， 可得到3 種連接模型在不同工況下的應(yīng)力。 經(jīng)過計(jì)算結(jié)果比較分析，可以發(fā)現(xiàn)，在沉降作用下，支座截面的拉應(yīng)力比較大，為不利截面；沉降對(duì)懸臂連接段的受力影響隨沉降值的增大而增大； 沉降對(duì)新舊橋主梁的影響較小，而對(duì)接縫的影響較大；在沉降作用下，新橋懸臂根部下緣的拉應(yīng)力最大，而舊橋懸臂上緣處于雙向受拉狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文以ANSYS 有限元軟件為建模工具，通過對(duì)舊橋和新橋拓寬后分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析， 得到如下幾個(gè)重要結(jié)論：

(1）動(dòng)力特性方面：在3 種不同接縫連接形式（剛接、半剛接和鉸接）下，橋梁的動(dòng)力特性（頻率和振型）非常接近，一階豎向頻率均為5.17Hz，說明接縫形式對(duì)橋梁的整體剛度影響很小。

(2）自重作用：獨(dú)立承受自重作用，新橋和舊橋的下?lián)媳容^接近，說明兩者的剛度比較接近，舊橋最大撓度為14.01mm，新橋最大撓度為17.28mm，新橋的剛度略小于舊橋的剛度。

(3）汽車荷載作用方面：在汽車荷載作用下，跨中截面應(yīng)力較大，為不利截面且橫向拉應(yīng)力大于縱向拉應(yīng)力；各種接縫連接的橋梁剛度和強(qiáng)度都滿足規(guī)范要求。

(4）沉降方面：接縫形式對(duì)橋梁整體受力影響不大，考慮橋梁長(zhǎng)期使用的可靠性， 建議使用剛性或半剛性連接接縫，鉸接接縫對(duì)于后期的養(yǎng)護(hù)維修不利。