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        某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋三維有限元仿真分析

        2022-10-15 08:41:44胡麗妹
        廣東土木與建筑 2022年9期
        關(guān)鍵詞:桿系徐變塊體

        胡麗妹

        (廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州 510060)

        關(guān)鍵字:連續(xù)剛構(gòu)橋;三維塊體單元;收縮徐變;有限元仿真分析

        0 引言

        目前國內(nèi)用于橋梁計(jì)算的有限元軟件多數(shù)都是采用桿單元模型。桿單元模型的求解時(shí)間短,能節(jié)約大量時(shí)間成本,且在大多數(shù)情況下,桿單元模型都能合理地模擬實(shí)際施工情況。但是,當(dāng)今橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣化,施工工藝日益復(fù)雜,在模擬橋梁結(jié)構(gòu)局部施加三向預(yù)應(yīng)力等施工過程時(shí),使用桿單元模型常常無法合理地模擬實(shí)際情況,而塊體單元模型則能很好地滿足要求[2]。況且,目前計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度日益加快,使用塊體單元建模進(jìn)行施工過程仿真分析的時(shí)間成本已經(jīng)大大降低。然而,如何在塊體有限元法中實(shí)現(xiàn)混凝土收縮徐變效應(yīng)分析,是三維塊體有限元分析較難處理的問題。如何在大型軟件中引入可考慮收縮徐變的材料本構(gòu)關(guān)系,如何考慮施工過程中混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力歷史的影響,是采用大型軟件進(jìn)行收縮徐變分析的關(guān)鍵[3]。如果能處理好上述問題,就完全可以利用大型有限元軟件強(qiáng)大的空間計(jì)算功能,解決諸如(預(yù)應(yīng)力)鋼管(鋼箱)混凝土的應(yīng)力重分布、異形斜拉橋預(yù)拱度計(jì)算等一系列三維收縮徐變問題[4-5]。本文將主要講述利用有限元軟件Midas Fea 來實(shí)現(xiàn)塊體單元計(jì)算(考慮收縮徐變)的可行性[6]。

        1 工程概況

        某工程主橋?yàn)镻C 連續(xù)剛構(gòu),跨徑組合(73+125+73)m,南北岸對(duì)稱。主梁混凝土為C55。半幅橋梁寬度為24.85 m,單箱雙室斷面,底板寬度為16.85 m,懸臂長為4 m。橋型布置和主梁截面如圖1~圖2所示。

        2 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

        2.1 三維實(shí)體單元有限元計(jì)算模型

        本文采用MIDAS/FEA 對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋建立了三維模型,網(wǎng)格尺寸為100 cm,節(jié)點(diǎn)數(shù)44 963 個(gè),單元數(shù)142 493個(gè),三維模型如圖3所示。掛籃的重量、配重、頂推力等用線荷載來模擬,二期恒載用面壓力來模擬。對(duì)鋼筋的模擬是將鋼筋的剛度添加到母單元中,即植入式鋼筋?;炷列熳兿禂?shù)和收縮應(yīng)變的計(jì)算依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范:JTG 3362—2018》進(jìn)行。

        2.2 梁單元計(jì)算模型

        全橋共包括240 個(gè)單元,281 個(gè)節(jié)點(diǎn),全橋模型如圖4所示。樁基承臺(tái)的連接采用彈性連接里面的剛性連接;對(duì)于墩梁固結(jié)采用剛性連接來模擬;主墩及邊跨支座按照支座的實(shí)際位置采用彈性連接里面的剛性連接來模擬支座與主梁的連接。

        2.3 橋梁施工階段應(yīng)力變形分析

        為驗(yàn)證塊體模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,選取最大雙懸臂階段、二期恒載階段、收縮徐變10 年這3 個(gè)施工階段進(jìn)行分析。

        2.3.1 各施工階段豎向變形結(jié)果(見圖5)

        由圖5 可知:桿單元和塊體單元模型在各施工階段的變形計(jì)算誤差均小于10%;其中成橋10 年后,由于混凝土收縮徐變的作用,桿單元和塊體單元計(jì)算的撓度結(jié)果差異增大,最大撓度差值約11 mm[7]。

        對(duì)于Midas Fea 和Midas Civil 的計(jì)算結(jié)果,分析其差異原因,主要為兩點(diǎn):

        ⑴模型的差異

        桿單元模型,橫隔板以集中力或均布荷載加到單元上,而塊體單元模型則按照實(shí)際截面建立,因此計(jì)算結(jié)果更為精確。

        ⑵邊界條件的差異

        在桿系模型中,主墩和箱梁采用剛臂單元進(jìn)行連接,而塊體模型則是墩梁固結(jié),節(jié)點(diǎn)耦合,能真實(shí)反映墩梁連接情況。

        通過桿單元和塊體單元的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知,塊體單元模型和桿系模型的豎向變形計(jì)算結(jié)果吻合較好,且塊體模型比桿系模型的計(jì)算結(jié)果略小。因此,桿系模型的計(jì)算精度可滿足工程需求[8]。

        2.3.2 各節(jié)段縱橋向正應(yīng)力結(jié)果圖如圖6~圖8所示

        ⑴最大雙懸臂階段(見圖6)⑵二期恒載階段(見圖7)⑶收縮徐變10年(見圖8)

        由圖6~圖8 可知:桿系模型和塊體模型的計(jì)算結(jié)果基本吻合,成橋10年后,應(yīng)力結(jié)果差異增大,分析其原因,是由混凝土的收縮徐變效應(yīng)導(dǎo)致,收縮徐變在桿單元和塊體單元中的表現(xiàn)形式不同。

        2.3.3 三維塊體模型的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊受力研究

        對(duì)Midas Fea 建立的三維塊體模型進(jìn)行空間受力分析,選取澆筑到最大單懸臂階段,分析零號(hào)塊的應(yīng)力分布和變形結(jié)果,同時(shí)對(duì)其應(yīng)力分布進(jìn)行細(xì)化分析[9],結(jié)果如圖9~圖10所示。

        由圖9~圖10 可知:零號(hào)塊的應(yīng)力整體上較為均勻,但在局部區(qū)域應(yīng)力集中,主要是剪力滯效應(yīng)、結(jié)構(gòu)形式的突變等原因造成[10]。由圖10可知,零號(hào)塊最大豎向變形出現(xiàn)在墩頂端部翼緣板邊。

        3 結(jié)論

        本文以Midas Fea 為平臺(tái),以某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ桃劳?,分別建立桿系模型和三維實(shí)體模型,將兩者計(jì)算結(jié)果(未考慮鋼筋對(duì)混凝土收縮徐變效應(yīng)發(fā)展的影響)進(jìn)行了對(duì)比分析,得出以下結(jié)論:

        ⑴三維實(shí)體模型的計(jì)算結(jié)果與平面桿系模型的計(jì)算結(jié)果較吻合,驗(yàn)證了桿系模型仿真分析的適用性和準(zhǔn)確性,同時(shí)也驗(yàn)證了Midas Fea 塊體有限元仿真分析的正確性。

        ⑵通過對(duì)墩頂零號(hào)塊的空間受力分析,展示了桿系模型無法提供的空間受力結(jié)果。

        ⑶對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,箱梁空間受力相對(duì)復(fù)雜,受剪力滯、泊松比等因素的影響,梁體內(nèi)的應(yīng)力分布不均勻,三維塊體模型可分析縱向正應(yīng)力在橫橋向的不均勻分布規(guī)律,找出最不利受力位置,為同類型工程設(shè)計(jì)和分析提供參考。

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