連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊空間應(yīng)力仿真分析

文 明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司鄭州院,鄭州 450052)

連續(xù)剛構(gòu)橋零號(hào)塊空間應(yīng)力仿真分析

文 明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司鄭州院,鄭州 450052)

以某座連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?結(jié)合非線性及細(xì)部分析軟件MIDAS FEA,對(duì)0號(hào)塊施工階段及運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合工況下的空間應(yīng)力進(jìn)行仿真分析,得出零號(hào)塊的三向應(yīng)力結(jié)果及分布規(guī)律。結(jié)果表明,在橫隔板人孔區(qū)域出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力,可采取鋼筋加強(qiáng)、加強(qiáng)與頂?shù)装宓倪B接等措施來(lái)改善應(yīng)力分布。頂板橫向預(yù)應(yīng)力在頂板與橫隔板銜接處有預(yù)應(yīng)力效應(yīng)損失現(xiàn)象,可采用橫向預(yù)應(yīng)力鋼束加密布置來(lái)處理。構(gòu)件其余部位均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

連續(xù)剛構(gòu)橋;零號(hào)塊;應(yīng)力分析

1 工程概況

本橋?yàn)?51+95+51)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋。上部結(jié)構(gòu)箱梁頂寬11 m,底寬5.5 m,單箱單室截面。橫向?yàn)?%雙面坡,采用頂板變厚設(shè)置橫坡。箱梁根部梁高6 m,跨中梁高2.4 m。箱梁梁高變化采用1.8次拋物線。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。0號(hào)塊對(duì)應(yīng)橋墩位置設(shè)置中橫隔板,橫隔板中設(shè)置過(guò)人孔。下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙肢薄壁墩,墩體截面為5.5 m(橫向)×1.4 m(縱向)的實(shí)心截面,雙肢墩中心距5 m。橋墩橫向與梁底等寬。

箱梁采用C50混凝土,橋墩墩頂以下5 m采用C50混凝土,余混凝土段采用C40混凝土。縱橫向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛φs15.2 mm鋼絞線,豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用JL32精軋螺紋鋼筋(標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=930 MPa)。

橋面荷載為雙向兩車(chē)道公路-I級(jí)荷載,橋面鋪裝荷載79.2 kN/m。整體升溫25℃、整體降溫20℃,頂板梯度溫度同時(shí)考慮正負(fù)效應(yīng)。與汽車(chē)荷載同時(shí)作用風(fēng)荷載,橋面處風(fēng)速取25 m/s;其余荷載組合設(shè)計(jì)風(fēng)速取34.7 m/s。0號(hào)塊標(biāo)準(zhǔn)截面如圖1所示。

2 模型及荷載

利用非線性及細(xì)部分析軟件MIDAS FEA建立空間實(shí)體單元模型。0號(hào)塊的應(yīng)力狀態(tài)與整個(gè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分都是相互關(guān)聯(lián)的。依據(jù)圣維南原理,0號(hào)塊的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān);而遠(yuǎn)離0號(hào)塊的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)對(duì)0號(hào)塊的應(yīng)力分布影響很小且可以忽略不計(jì)[1-4]。本次分析將箱梁0號(hào)塊鄰近的1號(hào)塊、2號(hào)塊及5 m長(zhǎng)主墩作為研究對(duì)象,將梁?jiǎn)卧M(jìn)行整體計(jì)算,所得內(nèi)力作為局部切開(kāi)處的外力邊界條件的方式加載,解決求解橋梁局部應(yīng)力狀況。

圖1 0號(hào)塊斷面(單位:cm)

混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束分別用實(shí)體單元和鋼筋單元模擬,建立計(jì)算模型如圖2所示。模型中考慮了預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力、摩阻損失、預(yù)應(yīng)力松弛損失及錨具變形影響,預(yù)應(yīng)力布置圖如圖3所示。

圖2 0號(hào)塊計(jì)算模型

圖3 三向預(yù)應(yīng)力布置

計(jì)算模型的單元采用自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格,計(jì)算模型單元?jiǎng)澐譃?6 827個(gè)單元,30 624個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型邊界條件在墩底采用彈性約束處理。

0號(hào)塊局部所受的荷載包括結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、汽車(chē)荷載及其他結(jié)構(gòu)部分對(duì)0號(hào)塊的作用力[5-12]。結(jié)構(gòu)自重及恒載可直接加載。預(yù)應(yīng)力荷載需從空間桿系模型計(jì)算結(jié)果中提取各鋼束在收縮徐變完成后至成橋狀態(tài)的有效預(yù)應(yīng)力荷載來(lái)加載。汽車(chē)荷載可在MIDAS CIVIL空間有限元分析軟件中采用移動(dòng)荷載追蹤器,顯示0號(hào)塊發(fā)生最大彎矩、最大剪力時(shí)移動(dòng)荷載及車(chē)道的位置,并簡(jiǎn)化為面荷載施加在頂板上。

計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)整體模型時(shí),采用梁?jiǎn)卧M橋梁縱向結(jié)構(gòu),0號(hào)塊兩側(cè)內(nèi)力作用點(diǎn)為梁?jiǎn)卧孛尜|(zhì)心處。其他結(jié)構(gòu)部分對(duì)0號(hào)塊的作用力可從整體計(jì)算結(jié)果中提取,并等效作用在實(shí)體網(wǎng)格端截面的質(zhì)心上。從整體計(jì)算中提取的梁截面處內(nèi)力,為程序中單元坐標(biāo)系的內(nèi)力,與整體坐標(biāo)系存在夾角。在0號(hào)塊的端截面節(jié)點(diǎn)施加荷載時(shí),需把荷載數(shù)值從單元坐標(biāo)系換算成整體坐標(biāo)系。取以下4種荷載工況考慮。

施工階段荷載組合:

組合一 施工階段最大懸臂狀態(tài)下的荷載內(nèi)力值,取一側(cè)合龍段已澆筑混凝土,另一側(cè)未澆筑混凝土的不平衡狀態(tài),同時(shí)考慮橫向風(fēng)載作用。

主拉、主壓應(yīng)力荷載組合:

組合二 使用階段最不利彎矩效應(yīng)組合內(nèi)力值。

組合三 使用階段最不利剪力效應(yīng)組合內(nèi)力值。

正應(yīng)力荷載組合:

組合四 考慮0.8倍的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)折減后,使用階段最不利彎矩效應(yīng)組合內(nèi)力值。

作用荷載值如表1所示。

表1 作用荷載取值

3 計(jì)算結(jié)果

受篇幅限制,本文僅給出施工階段最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力分布云圖。為清晰顯示0號(hào)塊內(nèi)部應(yīng)力分布情況,模型采用縱向剖切面顯示。如圖4所示(圖中應(yīng)力值受拉為正,受壓為負(fù))。

圖4 施工階段最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力云圖

在三向正應(yīng)力中,縱向應(yīng)力是主要應(yīng)力。橫向應(yīng)力受橋墩與橫隔板嵌固作用影響,在橫隔板處出現(xiàn)應(yīng)力分布突變,應(yīng)力結(jié)果不容忽視。豎向應(yīng)力因其值較小,本篇不作論述。各工況下0號(hào)塊應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如表2所示(表格中應(yīng)力值受拉為負(fù),受壓為正)。

表2 各工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

4 結(jié)論及建議

從實(shí)體模型分析結(jié)果中可以看出,因0號(hào)塊兩側(cè)等效內(nèi)力加載方式的影響,梁端存在局部應(yīng)力集中;預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)因未模擬錨墊板,錨固端存在應(yīng)力集中區(qū);加腋處模型因存在空間棱角,網(wǎng)格劃分時(shí)存在極小面,結(jié)果顯示存在局部應(yīng)力集中區(qū)域。以上因素均未對(duì)關(guān)注區(qū)域的結(jié)果產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響,故可忽略不計(jì)。除此之外,0號(hào)塊各部件應(yīng)力分布均勻,順橋向、橫橋向拉應(yīng)力均較小。可得出以下結(jié)論。

(1)0號(hào)塊除橫隔板外,順橋向正應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,符合規(guī)范中全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗裂要求。橫隔板因設(shè)置過(guò)人孔,且嵌固體系剛度較大,人孔周邊均出現(xiàn)不大于0.25 MPa的拉應(yīng)力,且拉應(yīng)力圍繞過(guò)人孔均勻分布,分布區(qū)域約為橫隔板實(shí)體區(qū)域的1/2。可采用加強(qiáng)過(guò)人孔周邊的普通鋼筋布置,加強(qiáng)橫隔板與梁頂、底板的連接處理,可有效改善橫隔板的應(yīng)力分布。

(2)橫橋向預(yù)應(yīng)力因頂板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束,未出現(xiàn)拉應(yīng)力。由于0號(hào)塊橫隔板處頂板屬于四邊嵌固體系,橋面板橫向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)有顯著損失。將橫隔板附近橫向預(yù)應(yīng)力束加密,減弱橫隔板對(duì)頂板的影響[6]。加密之后,頂板區(qū)域正應(yīng)力分布均勻,受力狀態(tài)良好。腹板橫向正應(yīng)力普遍出現(xiàn)0.19 MPa的拉應(yīng)力,腹板內(nèi)應(yīng)考慮普通鋼筋的約束影響,除設(shè)置閉合箍筋外,還應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)姆植间摻?分布可能出現(xiàn)的裂縫。

(3)使用階段組合工況下,主拉應(yīng)力除橫隔板與底板、頂板、腹板銜接處有局部應(yīng)力集中外,應(yīng)力分布均勻。最大主拉應(yīng)力0.45 MPa,小于0.4倍混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即1.06 MPa,滿足規(guī)范抗裂驗(yàn)算要求;最大主壓應(yīng)力12.38 MPa,小于0.6倍混凝土軸心抗壓強(qiáng)度值即19.44 MPa,滿足規(guī)范持久狀況應(yīng)力計(jì)算要求。施工階段最大主拉應(yīng)力0.92 MPa、最大主壓應(yīng)力12.3 MPa,均滿足施工階段預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算要求。

連續(xù)剛構(gòu)橋0號(hào)塊受多向約束效應(yīng)影響,空間受力情況復(fù)雜,需在設(shè)計(jì)中引起足夠的重視。另外,在0號(hào)塊澆筑過(guò)程中,因橫隔板體積較大,內(nèi)外溫差效應(yīng)可能導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)早期裂縫;受混凝土水化熱溫差效應(yīng)及收縮徐變影響,約束處可能產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力;普通鋼筋對(duì)混凝土的約束效應(yīng)分析等方面,還需作進(jìn)一步的分析研究。

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Simulation Analysis on Spatial Stress of Zero Block of Continuous Rigid-frame Bridge

WEN Ming
(Zhengzhou Design Institute,China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450052,China)

A continuous rigid-frame bridge was cited as an example in this paper.Then by using nonlinear and detail analysis software MIDAS FEA,a simulation analysis was carried out for the spatial stress of zero block under the most unfavorable load combinations in both construction phase and operation phase.Afterwards,the three-dimensional stress data and its distribution rules were obtained.The results show that,a certain tensile stress occurs at the manhole of the transverse diaphragm,which can be settled by adding the steel re-bar and by strengthening the joint between top slab and bottom slab,or by other relevant measures.Moreover,the phenomenon of prestress loss occurs at the place where the top slab connects with the bottom slab,which can be solved by densifying the transverse prestressed steel tendons.The rest of the member can all meet the requirements stipulated in design code.

continuous rigid-frame bridge;zero block;stress analysis

U441+.5

A

1004-2954(2013)03-0077-03

2012-06-27;

2012-10-24

文 明(1982—),男,工程師,2004年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:wm145@126.com。