陳金盛

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

1 引言

標(biāo)準(zhǔn)化和施工便利的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)具有縮短工期、降低工程造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)， 山區(qū)公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)往往優(yōu)先采用裝配式T 梁[1]。

由于山區(qū)地面起伏大， 一座橋的橋墩高度往往差別懸殊，高墩通常普遍存在。在橋梁設(shè)計(jì)中通常將一聯(lián)中較高的橋墩與上部結(jié)構(gòu)采用墩梁固結(jié)方案， 并利用高墩自身的柔性適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)的變形。 墩梁固結(jié)可以使高墩由一端固結(jié)、另一端自由的受力構(gòu)件，變?yōu)橐欢斯探Y(jié)、另一端彈性固結(jié)的構(gòu)件[2]，從而提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

墩梁固結(jié)處是全橋的關(guān)鍵受力部位之一，此處結(jié)構(gòu)構(gòu)造和應(yīng)力分布都比較復(fù)雜， 設(shè)計(jì)時(shí)如果處理不當(dāng)，在施工過程或運(yùn)營中極容易造成混凝土開裂，因此全面真實(shí)掌握橋梁墩梁固結(jié)處的局部應(yīng)力狀態(tài)具有十分重要的意義。

應(yīng)用三維實(shí)體有限元單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化分析可以大大提高橋梁仿真分析計(jì)算結(jié)果的可靠性， 尤其對(duì)于一些受力復(fù)雜的局部部位， 可減小簡(jiǎn)化計(jì)算中各種常規(guī)假設(shè)帶來的誤差[3]。 已有研究者應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬及光彈試驗(yàn)等方法對(duì)橋梁墩梁固結(jié)部位做了一些針對(duì)性的分析[4-6]。

從現(xiàn)有研究來看， 對(duì)墩梁固結(jié)部位的受力復(fù)雜性取得較一致的意見， 但均尚未充分考慮混凝土收縮徐變對(duì)固結(jié)部位受力的長期影響， 也沒有詳盡研究不同荷載組合下墩梁固結(jié)部位的受力性能， 對(duì)于易開裂部位尚未給予明確結(jié)論。

本文使用精細(xì)化實(shí)體MIDAS 整體混合有限元模型對(duì)墩梁固結(jié)部位進(jìn)行了局部受力性能的精細(xì)分析， 避免了以往研究采用局部有限元模型只能通過施加邊界面上荷載的方式進(jìn)行研究的局限性， 可直接模擬局部部位的施工過程，并直接考慮各種荷載組合。研究重點(diǎn)關(guān)注了蓋梁頂部現(xiàn)澆梁段與蓋梁底部墩身可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題和裂縫易形成部位， 對(duì)混凝土收縮徐變的長期效應(yīng)進(jìn)行了探討，研究成果對(duì)現(xiàn)有研究形成了較好的補(bǔ)充，可為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

2 有限元模型構(gòu)造

2.1 模型概況

以某山區(qū)公路橋其中一聯(lián)(5×30)m 為工程背景，建立墩梁固結(jié)部位精細(xì)化MIDAS 整體混合有限元分析模型。該聯(lián)橋梁的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖1 所示， 該聯(lián)橋梁的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。 其中橋墩均采用雙柱墩，1#、4# 和5# 橋墩采用等截面圓形墩，2# 和3# 橋墩由于墩高較高，采用變截面正方形矩形墩。上部結(jié)構(gòu)采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工方案，2# 橋墩采用墩梁固結(jié)方案， 其它橋墩則不固結(jié)。 上部結(jié)構(gòu)砼采用C50。

研究采用有限元軟件Midas/Civil 建立包括墩梁固結(jié)部位局部精細(xì)化實(shí)體單元的整體混合有限元模型， 如圖2 所示。 模型中除了2# 墩梁固結(jié)部位之外，采用梁?jiǎn)卧M，2# 墩位置處的墩梁固結(jié)部位則采用實(shí)體單元進(jìn)行精細(xì)化模擬。 全橋整體模型包括節(jié)點(diǎn)8126 個(gè)，單元總計(jì)6240 個(gè)，其中梁?jiǎn)卧?08 個(gè)，實(shí)體單元5432 個(gè)。 與以往研究不同的是， 本研究所采取的整體混合有限元模型能詳盡按照實(shí)際情況模擬墩梁固結(jié)部位的施工過程， 可對(duì)各種荷載作用及組合下局部部位的受力進(jìn)行直接分析。

圖1 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

表1 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 固結(jié)部位的精細(xì)化MIDAS 整體混合有限元模型

2.2 計(jì)算假定和荷載處理

計(jì)算分析時(shí)，假設(shè)結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。荷載按照我國規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 (JTG D60-2015)在模型中建立荷載模型，活荷載主要包括系統(tǒng)溫度、溫度梯度、汽車制動(dòng)力、公路I 級(jí)活荷載，恒荷載按照實(shí)際情況分別模擬了自重、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力等。

2.3 邊界條件

有限元模型邊界條件設(shè)置中，通過計(jì)算出等效樁長，在模擬中按等效樁長模擬，并將樁底固結(jié)。非墩梁固結(jié)位置的主梁與蓋梁之間通過彈性連接模擬支座。 墩梁固結(jié)位置的局部實(shí)體單元模型與周圍的梁?jiǎn)卧Ｐ徒缑娌捎脛傂赃B接模擬。

2.4 荷載工況

通過按照實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬， 有限元分析主要考慮以下3 種工況：(1)成橋初始；(2)成橋5 年后；(3)正常使用極限狀態(tài)荷載規(guī)范規(guī)定的荷載組合。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 2# 墩蓋梁頂部現(xiàn)澆梁段根部豎向正應(yīng)力

2# 墩蓋梁頂部現(xiàn)澆梁段根部的成橋初始狀態(tài)、成橋5 年、 正常使用極限狀態(tài)荷載組合最小與最大的豎向正應(yīng)力分別如圖3 所示。 圖3 中“1”、“2”點(diǎn)靠中跨側(cè)，“3”、“4”點(diǎn)靠邊跨側(cè)。圖中正值表示壓應(yīng)力，負(fù)值表示拉應(yīng)力。

3.2 2# 墩蓋梁底部墩身豎向正應(yīng)力

2# 墩蓋梁底部墩身在成橋初始狀態(tài)、 成橋5 年、正常使用極限狀態(tài)荷載組合最小及最大時(shí)正應(yīng)力如圖4 所示。 圖4 中“1”、“2”點(diǎn)靠中跨側(cè)，“3”、“4”點(diǎn)靠邊跨側(cè)，與圖3 相同。

圖3 2# 墩蓋梁頂部現(xiàn)澆梁段豎向正應(yīng)力圖

圖4 2# 墩蓋梁底部墩身豎向正應(yīng)力圖

4 結(jié)果分析

通過針對(duì)2# 墩部位的局部精細(xì)分析，主要有以下發(fā)現(xiàn)：

(1)成橋初期，在T 梁與墩頂現(xiàn)澆梁段交接的位置，恒載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力會(huì)達(dá)到一個(gè)局部的極值。 因?yàn)楸緲蛏喜拷Y(jié)構(gòu)由6 根T 梁組成，所以圖中極值也有6 個(gè)，如圖3(a)所示。其中，最大的壓應(yīng)力發(fā)生在矩形墩身上方對(duì)應(yīng)的T 梁位置，最大的拉應(yīng)力發(fā)生在現(xiàn)澆段橫橋向中間位置。此時(shí)， 蓋梁頂部現(xiàn)澆段根部的豎向應(yīng)力在朝向邊跨的一側(cè)與朝向中跨的一側(cè)應(yīng)力相差不大。

(2)成橋5 年，在混凝土收縮徐變作用下，現(xiàn)澆段根部豎向應(yīng)力在成橋初期很明顯的6 個(gè)局部極值會(huì)趨向于消失，取而代之的是沿著橫橋向趨向于均勻化的應(yīng)力分布，即此時(shí)局部極值逐漸變得不明顯，如圖3(b)所示。 同時(shí)，朝向邊跨的一側(cè)應(yīng)力高于朝向中跨的一側(cè)應(yīng)力。

(3)在正常使用極限狀態(tài)荷載組合下，最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力發(fā)生在邊T 梁和墩頂現(xiàn)澆段交接的位置， 如圖3(c)和圖3(d)所示。蓋梁頂部的現(xiàn)澆段根部最大組合主拉應(yīng)力2.58 MPa，接近抗拉強(qiáng)度2.65 MPa。 因此，在最不利荷載組合下， 墩頂現(xiàn)澆段根部在與邊T 梁交接的位置最可能出現(xiàn)水平向的微裂縫，如圖5 所示。

圖5 墩梁固結(jié)部位裂縫高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域

(4)從圖4 可以看到，靠近蓋梁底部的橋墩橫截面的變形不符合平截面假定。 在橋墩的4 個(gè)角點(diǎn)出現(xiàn)了應(yīng)力集中。 正常使用極限狀態(tài)荷載組合下最大拉應(yīng)力為2.26 MPa(接近抗拉強(qiáng)度2.40 MPa)，發(fā)生在角點(diǎn)“2”，為墩身最可能出現(xiàn)裂縫的位置，如圖5 所示。

5 結(jié)論與設(shè)計(jì)建議

本文對(duì)山區(qū)預(yù)制裝配式T 型梁橋的墩梁固結(jié)部位進(jìn)行了精細(xì)化分析， 同時(shí)研究了蓋梁頂部現(xiàn)澆梁段與蓋梁底部墩身可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中和開裂趨勢(shì)問題， 并對(duì)混凝土收縮徐變的長期影響進(jìn)行了分析。 根據(jù)精細(xì)化分析的結(jié)果，本文的主要結(jié)論和設(shè)計(jì)建議如下：

(1)在正常使用極限狀態(tài)最不利荷載組合下，蓋梁頂部的現(xiàn)澆段根部的外緣T 梁存有較高的產(chǎn)生水平向裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，建議在該處適當(dāng)增加布置直徑小和間距小的加強(qiáng)鋼筋，以防止裂縫發(fā)生。

(2)在正常使用極限狀態(tài)最不利荷載組合下，靠近蓋梁底部的墩身橫截面角點(diǎn)可能出現(xiàn)拉應(yīng)力， 存有較高產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，建議在二者交接處的墩身角點(diǎn)位置布置加強(qiáng)鋼筋，以防止裂縫發(fā)生。

(3)混凝土徐變的長期效應(yīng)將使得墩梁固結(jié)部位的應(yīng)力集中問題減緩。