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        基于FEA全橋模型的預(yù)制小箱梁隱蓋梁受力分析研究

        2022-09-15 07:07:50羅干生史賢豪肖海波
        城市道橋與防洪 2022年8期
        關(guān)鍵詞:交界處全橋支座

        羅干生,史賢豪,肖海波

        (1.寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心,浙江 寧波 315042;2.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 寧波 315012)

        0 引 言

        城市橋梁建設(shè)中,為節(jié)約造價(jià)多以簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁為主,常用的結(jié)構(gòu)形式為工字梁、T梁、空心板梁和小箱梁等。在橋梁設(shè)計(jì)中,由于預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,受力性能良好,施工技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),可以適應(yīng)現(xiàn)行施工方法的要求,能做到上下部結(jié)構(gòu)同步施工,最大限度地縮短現(xiàn)場(chǎng)占用周期;此外還兼具經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較低,外觀美觀等優(yōu)點(diǎn),因此得以廣泛應(yīng)用。

        城市立交橋梁不僅需要滿足受力性能的要求,同時(shí)需要保證美觀協(xié)調(diào),有效地利用橋下空間。隨著城市交通的發(fā)展,傳統(tǒng)樁柱式蓋梁已經(jīng)難以滿足城市橋梁對(duì)于空間限制以及美觀協(xié)調(diào)的高要求,隱蓋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于傳統(tǒng)蓋梁構(gòu)造,隱蓋梁能有效降低結(jié)構(gòu)高度、增加橋梁美觀性等優(yōu)勢(shì)。然而由于結(jié)構(gòu)自身受力復(fù)雜,荷載傳遞至隱蓋梁的傳遞方式和作用機(jī)理尚不明了。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)橋梁設(shè)計(jì)的各類(lèi)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中,尚無(wú)預(yù)制小箱梁隱蓋梁計(jì)算方法的規(guī)定和依據(jù)。

        1 隱蓋梁受力分析

        1.1 工程概況

        寧波市某市政快速路高架標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為25.5 m(見(jiàn)圖1),設(shè)計(jì)荷載城-A級(jí),主線及匝道小于35 m跨徑全部采用預(yù)制小箱梁。

        圖1 橋梁橫斷面圖(單位:mm)

        由于規(guī)劃道路距離較近,橋梁需降低橋面標(biāo)高來(lái)減少匝道長(zhǎng)度,滿足路口通行要求。因此在此路段高架上部結(jié)構(gòu)采用隱蓋梁小箱梁,降低橋面標(biāo)高約2 m,減少匝道長(zhǎng)度約35 m。

        1.2 三維建模

        本文取3×29 m小箱梁進(jìn)行計(jì)算,橋梁寬度25.5 m。根據(jù)隱蓋梁和小箱梁實(shí)際尺寸建立全橋FEA模型(見(jiàn)圖2),每個(gè)墩位布置雙支座,支座間距5.6 m,其中一根中橫梁處采用固定支座和橫橋向單向支座,其余橫梁均采用一個(gè)單向支座和雙向支座,保證結(jié)構(gòu)能夠自由變形?;炷敛糠植捎盟拿骟w單元生成實(shí)體網(wǎng)格,隱蓋梁和小箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用植入式鋼筋模擬,與混凝土耦合共同受力,見(jiàn)圖3。

        圖2 FEA有限元全橋模型

        圖3 全橋預(yù)應(yīng)力布置

        橋面鋪裝荷載采用壓力荷載進(jìn)行施加,同時(shí)考慮升降溫的影響,汽車(chē)荷載根據(jù)Midas模型計(jì)算的最不利工況,進(jìn)行車(chē)輛荷載等效布置。

        1.3 計(jì)算結(jié)果分析

        (1)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力計(jì)算

        小箱梁及隱蓋梁預(yù)應(yīng)力采用Midas簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算,其中縱向配索為考慮隱蓋梁的連續(xù)梁模型;橫向計(jì)算中Midas Civil模型考慮隱蓋梁自重、簡(jiǎn)支小箱梁自重、二期鋪裝、預(yù)應(yīng)力和溫度荷載,其中二期鋪裝為3×29 m三跨連續(xù)單梁模型成橋階段的支點(diǎn)反力與簡(jiǎn)支小箱梁自重之差,汽車(chē)荷載按照橫向等效車(chē)輪進(jìn)行加載。

        在三跨連續(xù)小箱梁計(jì)算中,由于邊跨受力較大,應(yīng)力儲(chǔ)備較低,故在FEA整體模型中,按照邊跨最不利進(jìn)行汽車(chē)荷載布置,全橋正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

        圖4 邊跨最不利汽車(chē)加載下全橋頂面正應(yīng)力云圖(單位:MP a)

        圖5 邊跨最不利汽車(chē)加載下全橋底面正應(yīng)力云圖(單位:MP a)

        采用Midas簡(jiǎn)化模型計(jì)算配索結(jié)果,在全橋模型中各部位正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,具有較強(qiáng)可實(shí)施性。僅在小箱梁與隱蓋梁交界處,由于預(yù)應(yīng)力張拉導(dǎo)致交界處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,設(shè)計(jì)中應(yīng)采用構(gòu)造措施和配筋進(jìn)行加強(qiáng)。

        (2)小箱梁與隱蓋梁交界處應(yīng)力計(jì)算

        FEA計(jì)算后提取本聯(lián)小箱梁在恒載作用下產(chǎn)生豎向撓度,位移云圖見(jiàn)圖6。

        圖6 恒載作用下豎向位移云圖

        由圖6可得邊墩隱蓋梁在荷載作用下呈現(xiàn)上拱趨勢(shì),中墩隱蓋梁呈現(xiàn)下?lián)馅厔?shì),見(jiàn)圖7。豎向位移不協(xié)調(diào)導(dǎo)致邊梁在隱蓋梁處主應(yīng)力較大,需加強(qiáng)配筋。在恒載作用下,小箱梁與隱蓋梁交界處存在應(yīng)力集中,導(dǎo)致主拉應(yīng)力較大,主壓應(yīng)力較均勻,見(jiàn)圖8,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證小箱梁縱向鋼筋的完整并減少隱蓋梁預(yù)應(yīng)力開(kāi)槽對(duì)結(jié)構(gòu)的削弱,避免主拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂,可采用如下措施:采用單端交叉錨固,錨槽口遠(yuǎn)離應(yīng)力集中點(diǎn);橫梁適當(dāng)外伸,避開(kāi)應(yīng)力集中點(diǎn);采用深埋套筒,避免結(jié)構(gòu)開(kāi)槽。

        圖7 荷載作用小箱梁與中墩隱蓋梁交界處正應(yīng)力(單位:MP a)

        圖8 荷載作用小箱梁與邊墩隱蓋梁交界處正應(yīng)力(單位:MP a)

        (3)邊墩隱蓋梁嵌固效應(yīng)

        取恒載作用下Midas模型和FEA全橋模型進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖9、圖10),在恒載作用下Midas模型邊跨正應(yīng)力為-6.2 MPa,而FEA模型邊跨平均正應(yīng)力為-6.6 MPa,通過(guò)對(duì)比可得由于邊墩隱蓋梁對(duì)縱梁的嵌固作用,導(dǎo)致跨中正彎矩減少約6%,壓應(yīng)力儲(chǔ)備增加,因此在邊跨預(yù)應(yīng)力束設(shè)計(jì)中,可在Midas桿系模型基礎(chǔ)上適當(dāng)減少預(yù)應(yīng)力,節(jié)約橋梁造價(jià),而中跨可按常規(guī)小箱梁設(shè)計(jì)。

        圖9 恒載作用下Mida s模型梁底正應(yīng)力(單位:MP a)

        圖10 恒載作用下FEA模型梁底正應(yīng)力(單位:MP a)

        (4)小箱梁橫向分布系數(shù)

        基于FEA計(jì)算軟件,采用實(shí)體單元建立隱蓋梁全橋模型,模型計(jì)算中將集中力P=1 000 kN依次作用于各片小箱梁跨中截面,采用計(jì)算各小箱梁的橫向分布系數(shù)。對(duì)各片小箱梁進(jìn)行編號(hào),見(jiàn)圖11。

        圖11 小箱梁編號(hào)示意圖

        各片小箱梁橫向分布系數(shù)見(jiàn)圖12。

        圖12 小箱梁橫向分布圖

        由圖12可得,隱蓋梁小箱梁的橫向分布系數(shù)與常規(guī)小箱梁基本一致,但由于隱蓋梁支座影響,導(dǎo)致靠近支座處小箱梁橫向分布系數(shù)增大。

        2 結(jié) 論

        本文通過(guò)Midas Civil梁?jiǎn)卧P秃蚆idas FEA全橋?qū)嶓w單元模型進(jìn)行對(duì)比分析,可得到以下結(jié)論:(1)采用FEA整體建模能有效模擬隱蓋梁受力情況,由于隱蓋梁支座影響,導(dǎo)致靠近支座處小箱梁橫向分布系數(shù)增大。(2)小箱梁與隱蓋梁交界處存在應(yīng)力集中,導(dǎo)致主拉應(yīng)力較大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證小箱梁縱向鋼筋的完整并減少隱蓋梁預(yù)應(yīng)力開(kāi)槽對(duì)結(jié)構(gòu)的削弱。(3)由于邊墩隱蓋梁對(duì)邊跨小箱梁的嵌固效應(yīng),相比于常規(guī)簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁,隱蓋梁小箱梁設(shè)計(jì)中可考慮適當(dāng)優(yōu)化邊跨預(yù)應(yīng)力鋼束。

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