某T形連續(xù)剛構(gòu)橋0號(hào)塊局部應(yīng)力空間分析

趙志國(guó)

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽 110166)

1 工程概況

該橋是一座130 m+230 m+130 m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁全長(zhǎng)為490 m。橋面全寬20.2 m，橋面橫坡為2%。中間主墩為寬12.6 m，高2.7 m雙薄壁墩，墩高47 m，樁采用直徑2 m鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。

本橋主梁為單箱雙室，頂板寬20.2 m，底板寬12.6 m，箱梁邊腹板在主墩范圍內(nèi)厚度為1.05 m，跨中梁段腹板厚度為0.45 m，中腹板在主墩范圍內(nèi)厚度為0.6 m，跨中梁段腹板厚度為0.45 m。箱梁根部梁高為14.8 m，跨中合龍段以及邊跨直線段梁高4.35 m，從箱梁根部到跨中段按1.75次拋物線變化。箱梁頂板除0號(hào)塊厚0.8 m，其余厚為0.4 m，箱梁底板厚度除0號(hào)塊厚2.2 m，其余箱梁底板厚度從根部截面2.2 m按1.75次拋物線變化到跨中截面0.38 m，薄壁墩墩頂設(shè)兩道橫隔板，厚0.6 m，兩道橫隔板間距為1.4 m，橫隔板中設(shè)人洞。

本橋主梁上部結(jié)構(gòu)采用C60混凝土，主墩墩身為C50混凝土。縱向預(yù)應(yīng)力采用φs15.2鋼絞線，分懸臂頂板束、腹板彎起束、邊中跨合龍連續(xù)束及現(xiàn)澆段彎起束四類，錨具采用群錨體系。豎向預(yù)應(yīng)力束采用JL32精軋螺紋鋼筋，JLM螺母錨具，橫向預(yù)應(yīng)力縱向預(yù)應(yīng)力采用φs15.2鋼絞線。縱向預(yù)應(yīng)力束除邊跨頂板連續(xù)束采用單端張拉外，其余均采用兩端張拉。

本橋設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，人群荷載為3.0 kN/m2，橋面鋪裝為8 cm瀝青混凝土鋪裝。

2 0號(hào)塊分析目的和方法

采用懸臂施工的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，因其施工技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，機(jī)械化程度高，加快了橋梁施工的進(jìn)度，提高橋梁跨越能力。墩頂0號(hào)塊作為整個(gè)上部結(jié)構(gòu)懸臂施工的起點(diǎn)與基礎(chǔ)，因其結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜。施工工序環(huán)節(jié)多，施工條件變化較多，再加之0號(hào)塊具有梁體高、管道布置集中、鋼筋密集、懸臂高空作業(yè)及大方高強(qiáng)混凝土澆筑等因素，使得0號(hào)塊成為整個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)的關(guān)鍵部位，由于其特殊的結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件，決定了它的應(yīng)力是復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)。梁?jiǎn)卧Ｐ鸵巡荒軠?zhǔn)確得到0號(hào)塊的應(yīng)力分析結(jié)果。根據(jù)圣維南原理:0號(hào)塊應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而遠(yuǎn)離0號(hào)塊區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)0號(hào)塊的影響比較小。所以只需取出0號(hào)塊，并考慮0號(hào)塊附近區(qū)域的作用，進(jìn)行空間應(yīng)力分析即可。本文的主要思路:首先采用Midas Civil有限元軟件建立全橋空間桿系模型，即可計(jì)算出0號(hào)塊截面在各種荷載組合下的內(nèi)力值，將這些內(nèi)力值轉(zhuǎn)化為空間分析模型上的面荷載和線荷載，然后再用Midas有限元軟件建立0號(hào)塊空間實(shí)體模型，即可分析出0號(hào)塊應(yīng)力狀態(tài)。為保證計(jì)算結(jié)果足夠的精細(xì)度，0號(hào)塊空間模型包括0號(hào)塊本身及與之兩側(cè)相鄰的1，2號(hào)塊及部分墩身長(zhǎng)度。

3 建立模型

3.1 計(jì)算模型

本橋取0號(hào)塊、與0號(hào)塊兩側(cè)相鄰1，2號(hào)塊及部分橋墩構(gòu)成的空間實(shí)體作為分析對(duì)象(見圖1)。

圖1 所選局部結(jié)構(gòu)示意圖

采用Midas有限元軟件建立空間有限元模型，計(jì)算模型見圖2。

3.2 荷載處理

懸澆過程中各階段的恒載、預(yù)加力、收縮徐變和施工荷載作用下，各工況的荷載效應(yīng)可以按下面的步驟處理:首先采用Midas Civil有限元軟件建立的全橋空間桿系模型，提取1，2號(hào)塊各施工階段內(nèi)力值(彎矩、剪力和軸力)，然后根據(jù)虛位移原理將截面的彎矩、剪力和軸力等效轉(zhuǎn)化為截面各單元表面的分布面力和線荷載。本次計(jì)算主要考慮以下兩荷載工況(見表1)，根據(jù)以往橋應(yīng)力測(cè)試和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，下面兩工況使得主梁受力最不利。

表1 荷載工況定義

根據(jù)上面組合，從空間桿系模型中提取1，2號(hào)塊兩端內(nèi)力值見表2。

表2 1，2號(hào)塊兩端內(nèi)力值表

將表2中1，2號(hào)塊內(nèi)力值等效載到0號(hào)塊有限元模型，所有連接均按剛性連接處理，并定義荷載工況(見圖3)。

圖2 計(jì)算模型

圖3 荷載工況定義

4 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算完成后，由于篇幅所限，以下僅給出部分正應(yīng)力、主應(yīng)力云圖(見圖4～圖7)(正值代表壓應(yīng)力，負(fù)值代表拉應(yīng)力)。

圖4 頂板正應(yīng)力圖—工況一

圖5 頂板正應(yīng)力圖—工況二

圖6 S1剖面主應(yīng)力云圖—工況一

圖7 S3剖面主應(yīng)力云圖—工況一

從兩個(gè)工況計(jì)算的0號(hào)塊應(yīng)力云圖可以得到以下結(jié)論:

1)0號(hào)塊頂板在兩工況下應(yīng)力均勻，應(yīng)力分布合理，最大縱向壓應(yīng)力出現(xiàn)在0號(hào)塊端部，由于此處為縱向預(yù)應(yīng)力筋錨固處，引起錨下應(yīng)力集中，最大值達(dá)16.4 MPa。進(jìn)行預(yù)應(yīng)力和普通鋼筋混凝土設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。0號(hào)塊頂板橫向上主要以壓應(yīng)力為主，僅在端部中間位置出現(xiàn)－0.8 MPa拉應(yīng)力，橫向壓應(yīng)力呈現(xiàn)由翼緣邊緣向橋中心方向遞減分布。頂板除部分預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)處應(yīng)力超限外，其他位置正應(yīng)力和主應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

2)0號(hào)塊腹板在兩工況下應(yīng)力基本均勻，分布基本合理，腹板僅在內(nèi)側(cè)與橫隔板相交區(qū)域內(nèi)，縱向壓應(yīng)力下降速率明顯，主要是橫隔板削弱部分截面。腹板最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在腹板與頂板內(nèi)側(cè)上腋部位，數(shù)值為0.84 MPa。在兩橫隔板之間靠近頂板的腹板內(nèi)側(cè)區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)斷面變化，導(dǎo)致此處主壓應(yīng)力變化明顯，但均未超過規(guī)范要求。

3)0號(hào)塊底板在兩工況下應(yīng)力分布基本合理，上表面縱向最大應(yīng)力為11.6 MPa，出現(xiàn)在底板與腹板倒角位置，下表面由于墩寬度影響，壓應(yīng)力呈現(xiàn)不規(guī)則分布，變化范圍1.8 MPa～9.5 MPa，總體趨勢(shì)墩頂側(cè)數(shù)值偏大。底板與橫隔板及底板與腹板倒角位置處，由于截面變化均出現(xiàn)不規(guī)則的主拉應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在底板與橫隔板倒角位置，數(shù)值為－3.3 MPa。由于橫隔板約束作用，底板附近主拉應(yīng)力較其他區(qū)域小，橋墩范圍底板主應(yīng)力比其他位置小約1/4。

4)0號(hào)臺(tái)橫隔板內(nèi)側(cè)應(yīng)力分布均勻合理，頂、底和腹板縱向最大正應(yīng)力均出現(xiàn)在和橫隔板關(guān)聯(lián)的位置，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在鋼束錨固點(diǎn)附近和底板下緣倒角處。外側(cè)由于人洞影響，在橫隔板頂面出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，數(shù)值為－0.52 MPa。

5 結(jié)語

通過對(duì)本橋0號(hào)塊在兩工況下各位置應(yīng)力分析，0號(hào)塊整體應(yīng)力與全橋計(jì)算基本相符，也證明采用計(jì)算結(jié)果可靠性較高。在縱向預(yù)應(yīng)力作用下箱梁截面受力均勻，橫向、豎向拉應(yīng)力均滿足規(guī)范。頂板縱向壓應(yīng)力在1.22 MPa～2.5 MPa之間，S1～S4剖斷面應(yīng)力都小于0.9 MPa，均滿足規(guī)范要求。主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，除預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)、橫隔板等局部應(yīng)力集中位置外，整梁應(yīng)力分布合理，橫隔板最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在橫隔板與地板、腹板結(jié)合區(qū)域，說明橫隔板橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)降低橫隔板拉應(yīng)力有較大作用，橫隔板應(yīng)力在人洞附近應(yīng)力集中明顯。以上薄弱位置在普通鋼筋計(jì)算時(shí)應(yīng)引起足夠重視，同時(shí)施工過程中，監(jiān)測(cè)單位也應(yīng)對(duì)這些位置重點(diǎn)觀測(cè)，防止施工中出現(xiàn)破壞影響結(jié)構(gòu)安全。

本橋0號(hào)塊采用Midas有限元軟件建立空間實(shí)體模型，建模過程簡(jiǎn)潔，模型簡(jiǎn)化處理簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果合理。

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