基于ANSYS的變截面異形連續梁橋裂縫和撓度驗算

張四國 閆 旭

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

基于ANSYS的變截面異形連續梁橋裂縫和撓度驗算

張四國 閆 旭

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

基于有限元法的相關知識，利用ANSYS軟件對某異形連續梁橋進行了實體有限元建模及靜力分析，考慮了恒載、車輛活載和溫度荷載等工況，探索了橋梁在單一工況及最不利工況組合下橋面板的應力分布情況，并與規范容許值進行了對比和抗裂驗算，結果表明，橋面受力狀況良好，部分區域出現寬度為0.08 mm的縱向裂縫，但最大裂縫寬度滿足規范要求。

有限元，變截面，連續梁，結構分析

0 引言

公路橋涵的設計要滿足技術先進、安全可靠、耐久適用和經濟合理等要求[1]，其中安全性是設計的第一原則。安全性要求橋涵在規定的設計使用年限內，在恒載、活載和偶然荷載的各種作用下，結構不破壞、撓度不過大、不發生傾覆滑移等失穩破壞。為保證設計的安全可靠，規范采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，規定橋涵設計要進行持久狀況、短暫狀況和偶然狀況下的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態驗算[2]。本文將按照規范要求對設計中的某異形連續梁橋進行三維建模分析，驗算橋面板的縱橫向抗裂能力，保證橋梁設計的安全性滿足要求。

1 工程背景

如圖1所示為設計橋梁的立面外形示意圖，橋梁采用變截面T構結構，跨徑布置為：40 m(第三邊跨)+40 m(第二邊跨)+40 m(第一邊跨)+90 m+40 m(第一邊跨)+40 m(第二邊跨)+40 m(第三邊跨)，全長330 m，中跨90 m中間設置20 m跨徑掛孔以釋放溫度力。橋梁結構設計基準期為100年，設計使用年限100年，環境類別Ⅱ類，屬于濱海環境，橋梁結構設計安全等級為一級，荷載標準為公路—Ⅰ級，橋梁標準橫斷面布置為：0.3 m欄桿+3 m人行道+3.5 m非機動車道+0.5 m機非分隔帶+10.75 m車行道+0.5 m分隔帶+10.75 m車行道+0.5 m機非分隔帶+3.5 m非機動車道+3 m人行道+0.3 m欄桿，橋梁全寬36.6 m?；炷翉姸鹊燃塁50，掛孔采用牌號為Q345鋼材。

結構驗算時考慮的荷載如下：1)結構自重：包括主橋結構重力、鋼束重力和二期鋪裝荷載，重力加速度取9.8 m/s2，瀝青鋪裝折算為2.5 kN/m2均布面荷載，掛孔荷載折算為單個牛腿處292 kN的集中荷載。2)預應力：只考慮縱向鋼束，張拉控制應力為1 395 MPa，取預應力損失后的有效應力。3)汽車荷載：根據規范加載車道荷載，不考慮折減和偏載。4)溫度荷載：升溫按20 ℃考慮，降溫按-20 ℃考慮，按照規范考慮豎向梯度溫度。

不考慮橫向梯度溫度、支座沉降和混凝土收縮徐變的影響。

2 有限元建模

將橋梁的三維模型導入到ANSYS中，采用Solid45實體單元模擬主橋混凝土，采用空間只受拉桿Link10單元模擬預應力鋼束[3,4]，混凝土實體單元和預應力桿單元之間通過耦合自由度傳力，如圖2所示為橋梁鋼束有限元模型，全橋共劃分30萬個節點，80萬個單元。

對模型進行靜力分析后，提取最不利關鍵截面和節點縱橫向應力，與規范中的容許值進行比較，判斷橋梁是否滿足規范抗裂要求。規范中對不允許出現裂縫的A類構件在荷載短期效應組合下滿足σs≤0.7ftk，在荷載長期效應組合下滿足σl≤0，其中σs和σl分別為短期效應組合和長期效應組合下構件抗裂驗算邊緣混凝土的法向拉應力，本文ftk=2.65。規范中對普通鋼筋混凝土構件規定在荷載短期效應組合并考慮長期效應影響的最大裂縫寬度不超過0.2 mm。

3 單一工況計算結果

3.1 恒載下計算結果

如圖3,圖4所示為恒載(自重+預應力)作用下橋梁的縱橫向應力云圖，圖中顯示，橋面板縱橋向均為受壓狀態，壓應力較小的區域位于③號墩位線附近，約為-1.2 MPa；橫橋向拉應力最大的區域位于②號墩位線附近，大小為5.6 MPa。

3.2 溫度荷載下的計算結果

如圖5，圖6所示為整體升溫20 ℃作用下橋梁的縱橫向拉應力云圖，縱橫向最大拉應力均位于③號墩位線附近，大小均為0.4 MPa。

如圖7,圖8所示為整體降溫20 ℃作用下橋梁的縱橫向拉應力云圖，縱向拉應力最大的區域位于③號墩位線附近，大小為0.57 MPa；橫向拉應力最大的區域位于④號墩位線附近，大小為0.45 MPa。

如圖9,圖10所示為梯度溫度作用下橋梁的縱橫向應力云圖，圖中顯示，橋面板縱橫橋向均為受壓狀態，無拉應力。

3.3 車輛荷載下的計算結果

由以上分析可知，橋梁最危險的截面為③號墩位線所在截面，將車輛荷載作用在該處時，組合效應最不利，如圖11，圖12所示為車輛荷載作用下橋梁的縱橫向應力云圖，最大縱向拉應力為2.2 MPa，最大橫向拉應力為1.35 MPa。

4 不利工況組合計算結果

選取車輛荷載作用截面與橋面中心線的交點為抗裂驗算點，該點在不同荷載工況下的應力和最不利組合應力結果如表1所示(正值為拉力)。

表1 不同工況下驗算截面處的縱橫向應力 MPa

表1中顯示，縱橋向在長期效應最不利組合下的應力為-2.55 MPa<0，不出現拉應力，在短期效應最不利組合下的應力-1.89 MPa<0.7×2.65=1.855 MPa，符合A類構件抗裂要求。橋面板未配置橫向預應力鋼束，需按照普通鋼筋混凝土構件計算最大裂縫寬度。取單位寬度的驗算截面，求得各工況下的橫向彎矩和橫向軸力[5]如表2所示。

表2 不同工況下驗算截面處的彎矩和軸力

根據規范公式計算，橫向裂縫寬度為0.08 mm，小于規范規定的0.2 mm，符合規范對裂縫控制的要求。

5 結語

本文利用ANSYS軟件建立了某變截面異形連續梁橋的三維實體有限元模型，在不同的荷載工況下進行了靜力計算，結果表明：該橋的縱向抗裂性能良好，不會出現橫向裂縫，符合規范中對A類預應力構件的抗裂要求；橋面板會出現0.08 mm的縱向裂縫，施工中建議在橋面板內增設鋼纖維，并做好防水措施。

[1] JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2] JTG D60—2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[3] 張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應用方法與實例[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4] 郝文化.Ansys土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[5] 葉見曙.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,2003.

Calculation of crack and deflection of the variable cross-section continuous girder bridge based on ANSYS

Zhang Siguo Yan Xu

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)

Based on the knowledge of FEM, 3D Solid model of a special shaped continuous beam bridge was built using ANSYS considering the dead load, vehicle live load and temperature load conditions. Bridge deck stress distribution was explored under single operating condition and the most unfavorable conditions combination. Results were compared with the allowable values. Research shows that the bridge works in good condition and longitudinal cracks, 0.08 mm in width, appeares at some parts of the bridge. The maximum crack width meet the specification requirements.

FEM, cross-section, continuous beam, structural analysis

2015-04-22

張四國(1973- )，男，高級工程師； 閆 旭(1988- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)19-0151-03

U441

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