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        大跨連續(xù)梁中橫梁橫向鋼束對(duì)人孔受力的影響分析

        2023-12-04 08:29:14華,李
        城市道橋與防洪 2023年11期
        關(guān)鍵詞:主壓人孔號(hào)塊

        尹 華,李 煉

        (廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

        0 引 言

        在連續(xù)梁設(shè)計(jì)時(shí),為了滿足檢修功能,通常會(huì)在0號(hào)塊中橫梁處設(shè)置人孔。對(duì)于很多大跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu),0號(hào)塊的空間形狀十分復(fù)雜。在0號(hào)塊范圍內(nèi),有沿橋跨方向變化的頂板、底板和腹板,并且在各個(gè)板件之間設(shè)置了不同形狀的承托和倒角,各板件的受力分布很不均勻[1]。同時(shí),由于設(shè)置人孔,在人孔周邊會(huì)出現(xiàn)更為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí),為準(zhǔn)確把握該部位的應(yīng)力分布情況,通常對(duì)0號(hào)塊人孔進(jìn)行單獨(dú)分析。

        本文結(jié)合工程實(shí)例,通過(guò)MIDAS CIVIL 對(duì)橋梁整體受力情況進(jìn)行分析,同時(shí)根據(jù)圣維南原理,采用“把梁?jiǎn)卧M(jìn)行整體計(jì)算所得內(nèi)力和位移作為局部切開處的內(nèi)力和位移邊界條件”的方法,提取整體計(jì)算中的結(jié)果,采用ANSYS 軟件,提取0號(hào)塊人孔局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體分析[2]。

        1 工程概況

        某工程新建橋梁上部結(jié)構(gòu)采用60 m+105 m+105 m+60 m 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)總寬17.7 m,采用單箱雙室結(jié)構(gòu),施工時(shí)采用掛籃懸臂施工。橋梁的橋型布置如圖1 所示。

        圖1 橋型布置圖(單位:m)

        由于橋墩高度不高(4.5~10 m),14號(hào)墩采用固結(jié)墩,13號(hào)和15號(hào)墩設(shè)置支座。上部結(jié)構(gòu)按照全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì),采用縱向、橫向和豎向三項(xiàng)預(yù)應(yīng)力體系。

        主橋上部結(jié)構(gòu)采用60 m+105 m+105 m+60 m 連續(xù)梁結(jié)構(gòu),14號(hào)墩墩梁固結(jié),13、15號(hào)墩設(shè)置支座,12、16號(hào)墩為過(guò)渡墩。主梁采用C60 混凝土。橋?qū)?7.7 m,采用單箱雙箱型斷面,其中箱寬12 m,兩側(cè)懸臂各長(zhǎng)2.85 m。腹板采用直腹板。主梁根部梁高6.3 m,跨中及邊跨端部梁高為2.8 m。主橋0號(hào)塊中橫梁高6.3 m,厚3 m,中橫梁與頂板和底板相交處均設(shè)置加腋,為方便以后檢修,在中橫梁處設(shè)置人孔。人孔為橢圓形,人孔高1.6 m、寬1 m,人孔中心距離中腹板邊1.775 m,人孔底部距底板底1.75 m。為改善人孔周邊局部受力,在人孔上下各設(shè)置了15 根φs15.2-3 的鋼束,鋼束平行于頂?shù)装?,采用交錯(cuò)單端張拉,均為直線線形。中橫梁人孔橫斷面如圖2 所示。

        圖2 中橫梁人孔橫斷面圖(單位:cm)

        2 計(jì)算建模

        2.1 整體模型

        采用MIDAS CIVIL 建立全橋單梁整體模型[3]。建模時(shí),全橋上下部整體建模。上部結(jié)構(gòu)采用變截面三維空間梁?jiǎn)卧M;橋墩單元采用等截面三維空間梁?jiǎn)卧粯痘捎脠A形截面梁?jiǎn)卧?,同時(shí)設(shè)置土彈簧來(lái)模擬土層的約束作用。全橋模型設(shè)置時(shí)考慮各個(gè)懸臂施工階段,同時(shí)對(duì)施工掛籃荷載進(jìn)行模擬。全橋共劃分622 個(gè)空間梁?jiǎn)卧?77 個(gè)節(jié)點(diǎn)。全橋空間模型如圖3 所示。

        圖3 MIDAS 單梁模型圖

        2.2 0號(hào)塊人孔局部實(shí)體建模

        整體計(jì)算結(jié)束后,提取運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下14號(hào)固結(jié)墩和13號(hào)支座墩的內(nèi)力,分別對(duì)兩種不用約束條件下的0號(hào)塊人孔應(yīng)力進(jìn)行分析。

        在進(jìn)行0號(hào)塊空間應(yīng)力分析時(shí),根據(jù)圣維南原理,建模時(shí)應(yīng)選取除包括0號(hào)塊本身梁段外的一定范圍的梁段[4]。分析時(shí)根據(jù)箱梁尺寸,各往外選取1 個(gè)梁段范圍的梁段(即1號(hào)塊位置),同時(shí)對(duì)固結(jié)墩建立橋墩模型,對(duì)支座墩建立支座約束模型。限于篇幅,本文主要給出支座墩13號(hào)墩的0號(hào)塊人孔分析。

        采用ANSYS 建模時(shí),箱梁和橋墩模型采用solid95號(hào)單元,鋼束采用link8 單元,共劃分61 552個(gè)單元,92 944 個(gè)節(jié)點(diǎn)。為簡(jiǎn)化分析,不考慮普通鋼筋的作用。鋼束采用Link8 單元,link8 單元與solid95單元之間采用約束方程,將link8 單元節(jié)點(diǎn)與離其最近的solid95 單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。0號(hào)塊局部分析模型如圖4 所示。

        圖4 0號(hào)塊實(shí)體模型圖

        施加荷載時(shí),為將MIDAS CIVIL 中整體模型的內(nèi)力施加在實(shí)體模型上,需要在實(shí)體模型梁端建立質(zhì)量單元mass21,然后將該單元與梁端截面上各個(gè)點(diǎn)之間采用剛臂進(jìn)行連接,進(jìn)而在質(zhì)量單元上施加的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力就可以轉(zhuǎn)化到梁端截面上。建模時(shí)質(zhì)點(diǎn)位于節(jié)段兩端截面的重心處。質(zhì)量單元設(shè)置如圖5所示。

        圖5 梁端ma s s 21 單元?jiǎng)偙蹐D

        2.3 計(jì)算參數(shù)選擇

        (1)邊界條件

        梁底建出支座,支座底約束住平動(dòng)方向,釋放轉(zhuǎn)動(dòng)方向的約束。

        (2)材料

        主梁采用C60 混凝土,預(yù)應(yīng)力鋼束采用鋼絞線。材料參數(shù)見表1。

        表1 材料參數(shù)

        (3)荷載

        鋪裝荷載:按照10 cm 瀝青鋪裝荷載,在梁頂面按照均布荷載施加。

        梁端內(nèi)力:讀取MIDAS 整體模型中對(duì)應(yīng)該實(shí)體模型梁端位置頻遇組合下的內(nèi)力,選取某一工況下彎矩和剪力均較大的內(nèi)力值(見表2)。

        表2 梁端內(nèi)力值

        車道荷載:對(duì)應(yīng)在MIDAS 整體模型中,查看該工況下的車道影響線分布,按照車道的布置形式,將車道荷載轉(zhuǎn)化為均布力施加在梁頂面。

        2.4 計(jì)算工況

        為了分析不同尺寸人孔周邊應(yīng)力的分布情況,按照以下三個(gè)工況分析:

        工況1:人孔尺寸0.8 m×1.6 m(寬×高)。

        工況2:人孔尺寸0.8 m×1.2 m(寬×高)。

        工況3:人孔尺寸0.8 m×1.0 m(寬×高)。

        3 分析結(jié)果

        根據(jù)實(shí)體模型,查看3 種工況下中橫梁人孔周邊應(yīng)力分布(見圖6 至圖11)。

        圖6 中橫梁中心主拉應(yīng)力云圖(工況一)(單位:MP a)

        圖7 中橫梁中心主壓應(yīng)力云圖(工況一)(單位:MP a)

        圖8 中橫梁中心處主拉應(yīng)力云圖(工況二)(單位:MP a)

        圖9 中橫梁中心處主壓應(yīng)力云圖(工況二)(單位:MP a)

        圖10 中橫梁中心處主拉應(yīng)力云圖(工況三)(單位:MP a)

        圖11 中橫梁中心處主壓應(yīng)力云圖(工況三)(單位:MP a)

        中橫梁應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比見表3。

        表3 中橫梁人孔周邊應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比表

        根據(jù)箱梁C60 混凝土標(biāo)號(hào),全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)頻遇組合下混凝土截面最大拉應(yīng)力容許值為σtp≤0.4 ftk=0.4×2.85=1.14 MPa;最大壓應(yīng)力容許值為σcp≤0.6 fck=0.6×38.5=23.1 MPa。

        由上述應(yīng)力云圖及數(shù)值表可知,在成橋運(yùn)營(yíng)狀況下:

        工況1 時(shí),中橫梁人孔上部約有一半的范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力,最大主拉應(yīng)力約1.1 MPa;主壓應(yīng)力分布呈下大上小趨勢(shì),最大主壓應(yīng)力約6.9 MPa。

        工況2 時(shí),中橫梁人孔周邊大部分都是壓應(yīng)力,僅局部很小的范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力,最大主拉應(yīng)力約0.4 MPa;主壓應(yīng)力分布呈下大上小趨勢(shì),最大主壓應(yīng)力約5.2 MPa。

        工況3 時(shí),中橫梁人孔周邊幾乎全部是受壓狀態(tài),最小壓應(yīng)力約0.5 MPa;主壓應(yīng)力分布呈下大上小趨勢(shì),最大主壓應(yīng)力約5.2 MPa。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        綜上,本文以實(shí)際工程為例,采用ANSYS 對(duì)0號(hào)塊進(jìn)行實(shí)體分析。通過(guò)對(duì)不同尺寸的人孔進(jìn)行分析計(jì)算,得到了人孔周邊的應(yīng)力分布情況。

        計(jì)算結(jié)果表明,0號(hào)塊中設(shè)置人孔,人孔上緣更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。在人孔寬度不變的情況下,人孔越大,人孔周邊出現(xiàn)拉應(yīng)力的范圍越大;人孔越小,人孔周邊出現(xiàn)壓應(yīng)力的范圍越大。人孔周邊最大壓應(yīng)力主要取決于人孔距離底板的距離,如人孔底距離底板距離不變,人孔周邊最大主壓應(yīng)力值隨人孔高度變化較小。

        故在工程設(shè)計(jì)時(shí),在需要設(shè)置人孔的情況下,可以適當(dāng)減小人孔尺寸,可以通行檢修即可。較大的人孔尺寸,人孔周邊可能會(huì)出現(xiàn)較大和較多范圍的拉應(yīng)力,不利于整個(gè)0號(hào)塊的受力。

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