整體式無縫橋梁非線性有限元計(jì)算模型研究

鄭秀勤 吳 鳴

(汕頭大學(xué)，廣東 汕頭 515063)

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整體式無縫橋梁非線性有限元計(jì)算模型研究

鄭秀勤 吳 鳴

(汕頭大學(xué)，廣東 汕頭 515063)

以已建整體式無縫橋梁為例，利用大型有限元軟件ABAQUS，采用理想線彈性模型，模擬橋梁主體結(jié)構(gòu)，并在考慮地基初始地應(yīng)力平衡下，建立了整體式無縫橋梁與臺(tái)后土體及樁周土體相互作用的三維非線性有限元計(jì)算模型，分析在自重及溫度荷載作用下整體式無縫橋梁的受力情況，通過與實(shí)橋的應(yīng)力實(shí)測(cè)值和其他不同方法進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證所提出計(jì)算模型的可行性。

整體式無縫橋梁，有限元模型，溫度荷載，受力情況

0 引言

由于溫度變化和混凝土收縮徐變等作用，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸縮變形，為了避免它對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不利影響和保證行車順暢，故而在梁端之間和梁端及橋臺(tái)背墻之間設(shè)置伸縮縫(縱向變形縫)。伸縮縫長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中，同時(shí)不斷遭受車輛的沖擊作用，破壞頻率較高，一般3年～5年就需要修補(bǔ)或更換，成本較高，同時(shí)衍生出的橋梁病害也不少：1)漏水：這是伸縮縫破壞后，直接產(chǎn)生的后果，水從伸縮裝置往下滲入主梁端部、支座以及下部結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成腐蝕和損害；2)行車橋頭跳車：伸縮縫破壞，導(dǎo)致與橋臺(tái)之間出現(xiàn)不同高低的臺(tái)階，研究表明，臺(tái)階處高差超過1 cm，行車就會(huì)感覺到明顯的顛簸；3)橋臺(tái)破壞：漏水對(duì)橋臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕；橋頭跳車加劇了車輛沖擊荷載，加快橋臺(tái)沉降速度，反過來又會(huì)加劇橋頭跳車，形成一個(gè)惡性循環(huán)；4)交通事故：過大的橋頭跳車現(xiàn)象，可能導(dǎo)致汽車彈簧鋼板振斷等問題，造成嚴(yán)重的非人為交通事故。

針對(duì)以上問題，許多研究學(xué)者都在尋求解決方法，得到的結(jié)論是：“最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)是無伸縮縫”——Henry Derthick。相對(duì)于有伸縮縫的橋梁，其有明顯的優(yōu)勢(shì)：1)取消了伸縮裝置，方便施工，降低橋梁造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用，消除跳車現(xiàn)象，同時(shí)減少對(duì)橋梁的沖擊作用及減輕橋梁腐蝕現(xiàn)象，提高橋梁的使用壽命；2)橋梁的整體剛度增大，活載在橋梁縱橫向的分布更加均勻，上部結(jié)構(gòu)的鋼筋用量降低，同時(shí)橋臺(tái)更輕更小，下部結(jié)構(gòu)的混凝土用量也較少；適用于舊橋改造工程；3)抗震能力較有伸縮縫橋梁大大提高，日本的測(cè)試表明：使用整體式橋臺(tái)可以增大阻尼力。

從世界各國(guó)的發(fā)展進(jìn)程來看，對(duì)于整體式無縫橋梁的建造都先于理論發(fā)展，設(shè)計(jì)計(jì)算及建造基本靠工程師的經(jīng)驗(yàn)，且至今國(guó)外都沒有成熟公認(rèn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，比如美國(guó)各個(gè)州對(duì)無縫橋梁的允許橋長(zhǎng)等設(shè)計(jì)規(guī)定都不一樣，主要原因是復(fù)雜的土—結(jié)構(gòu)共同作用，沒有簡(jiǎn)便統(tǒng)一的計(jì)算模型，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力性能難以計(jì)算準(zhǔn)確，所以有必要對(duì)整體式無縫橋梁的計(jì)算模型進(jìn)行深入的研究。我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于臺(tái)后土壓力多采用“m”法，樁周土壓力多采用“p—y”曲線，相關(guān)研究大多數(shù)是通過ANSYS軟件進(jìn)行建模分析，對(duì)于非線性研究存在缺陷，ABAQUS大型非線性有限元分析軟件對(duì)復(fù)雜的力學(xué)問題和高度非線性問題有著強(qiáng)大的模擬和處理能力，相信能更好地模擬整體式無縫橋梁中復(fù)雜的土—結(jié)構(gòu)共同作用。

1 整體式無縫橋梁ABAQUS有限元計(jì)算模型

1.1 已建整體式無縫橋梁簡(jiǎn)介

本文選用廣東省清遠(yuǎn)市四九橋?yàn)閷?shí)例，它是我國(guó)第一座整體式全無縫橋梁，由清遠(yuǎn)市公路局與湖南大學(xué)土木工程學(xué)院合作，希望徹底解決橋頭跳車這一難題。廣東省清遠(yuǎn)市位于亞熱帶海洋性季風(fēng)區(qū)，氣候濕熱多雨，全年最高溫36 ℃，平均最低溫為3 ℃。四九橋是一座四跨鋼筋混凝土連續(xù)鋼構(gòu)整體式橋梁，其立面圖如圖1所示，全長(zhǎng)75.48 m，橋面寬度8.50 m，總溫度計(jì)算跨長(zhǎng)51.48 m。全橋無一個(gè)制作，也無一道伸縮裝置，路橋連接處也沒有設(shè)縫。上部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體板梁結(jié)構(gòu)，梁寬8.50 m，高0.75 m；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式輕型橋墩，挖孔樁基礎(chǔ)，橋梁橫斷面如圖2所示；橋臺(tái)臺(tái)高3.80 m，橋臺(tái)下部為獨(dú)樁基礎(chǔ)，直徑為1.50 m，橋臺(tái)構(gòu)造如圖3，圖4所示。

1.2 建立ABAQUS有限元模型

四九橋ABAQUS有限元模型如圖5所示，采用幾何部件建模，模型共有兩個(gè)部件：橋梁結(jié)構(gòu)和土體。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只建立了全橋半結(jié)構(gòu)模型。

1.2.1 橋梁結(jié)構(gòu)

橋梁結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，包括主梁、橋墩、橋臺(tái)、樁基，由于橋梁主體結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形遠(yuǎn)小于臺(tái)后土，樁周土的變形，整體式橋梁結(jié)構(gòu)作為理想的線彈性模型，采用3D8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行模擬。橋梁結(jié)構(gòu)各單元材料特性及參數(shù)如表1所示。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)容重/kN·m-3彈性模型/MPa泊松比線膨脹系數(shù)/℃-1主梁25325000．21．0e-5橋墩、橋臺(tái)25300000．21．0e-5樁基、搭板25280000．21．0e-5

1.2.2 土體

在水平荷載作用下，一般認(rèn)為水平方向上樁周約20倍樁徑范圍外的土體受到的樁的影響可忽略不計(jì)。在豎向方向上樁底以下1倍樁長(zhǎng)范圍外的土體受到樁的影響可忽略不計(jì)。因此本文土體范圍為路堤側(cè)搭板后1倍搭板長(zhǎng)度，橋墩側(cè)樁外20倍樁徑，樁底下1倍樁長(zhǎng)的范圍，土體范圍如圖7所示。

土體的本構(gòu)模型均采用Mohor-Coulomb模型，采用3D8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行模擬。根據(jù)實(shí)際土體物理力學(xué)指標(biāo)及參考文獻(xiàn)[1]，臺(tái)后土、樁周土及路堤土的土體材料參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 土體材料參數(shù)

1.2.3 邊界條件、土—結(jié)構(gòu)的相互作用及荷載

模型邊界條件如下：

1)在橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱截面處處理為固定約束，即不允許發(fā)生任何位移；

2)為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，橋墩底部直接采用固結(jié)處理；

3)土體底部采用固結(jié)處理，外側(cè)徑向約束。

土—結(jié)構(gòu)之間的相互作用，通過定義接觸對(duì)接觸面的力學(xué)模型進(jìn)行，充分考慮材料非線性和接觸非線性。

在本有限元模型中，荷載僅考慮結(jié)構(gòu)自重以及溫度變化。由于四九橋合龍時(shí)基本是全年最低溫，為8 ℃，一年當(dāng)中基本為溫升過程，而當(dāng)?shù)仄骄罡邷貫?5 ℃，故本文工況考慮為自重+30 ℃升溫。

2 有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

2.1 實(shí)測(cè)點(diǎn)位置

對(duì)于整體式無縫橋梁來說，橋臺(tái)與主梁結(jié)合處，橋臺(tái)與樁基連接處均為結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，為了驗(yàn)證本文所提出的ABAQUS有限元三維模型的正確性，選取參考文獻(xiàn)[1]中的部分測(cè)點(diǎn)：主梁梁端上緣，主梁梁端下緣，橋臺(tái)頂部?jī)?nèi)側(cè)，橋臺(tái)頂部外

側(cè)，樁基頂部?jī)?nèi)側(cè)，樁基頂部外側(cè)。具體位置可查閱文獻(xiàn)[1]的內(nèi)容。為下文方便，將各測(cè)點(diǎn)位置用字母代替如下：主梁梁端上緣(ZLSY)，主梁梁端下緣(ZLXY)，橋臺(tái)頂部?jī)?nèi)側(cè)(QTNC)，橋臺(tái)頂部外側(cè)(QTWC)，樁基頂部?jī)?nèi)側(cè)(ZJNC)，樁基頂部外側(cè)(ZJWC)。

2.2 各位置應(yīng)力值對(duì)比分析

對(duì)于整體式無縫橋梁中臺(tái)后土和樁周土的模擬，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在常用的兩種方法主要是“m”法和相對(duì)應(yīng)的“p—y”曲線法模擬臺(tái)后水平抗力和樁側(cè)土壓力，并使用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模。根據(jù)參考資料，下面同時(shí)對(duì)這兩種方法得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值和本文采用的ABAQUS建模方法的計(jì)算值進(jìn)行比較。

四九橋采用低溫合龍，橋梁基本上都處于溫升狀態(tài)，且在150 d～200 d之間，溫升值最大，故各位置應(yīng)力值取在這段時(shí)間中最大值與計(jì)算值進(jìn)行比較，比較合理。表3為各實(shí)測(cè)位置各計(jì)算值與實(shí)測(cè)值應(yīng)力對(duì)比，同時(shí)與現(xiàn)在常用的兩種計(jì)算方法進(jìn)行比較，分別是“m”法和“p—y”曲線法，均是用ANSYS進(jìn)行建模的。應(yīng)力值正負(fù)號(hào)規(guī)定：拉“+”，壓“-”。

表3 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

從表3結(jié)果可知：

1)對(duì)于主梁和橋臺(tái)，各計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差都比較小，對(duì)于本文所建模型相比其他兩種方法更接近實(shí)測(cè)值，說明該ABAQUS有限元模型基本上是合理的。

2)對(duì)于樁基，各計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差都比較大，但是都偏于安全，這是由于模型計(jì)算時(shí)都將樁周土簡(jiǎn)化成一種類型土，而實(shí)際中的各層土體都不一樣，導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值相差比較大。

3)本文采用的ABAQUS模型相對(duì)“m”法和“p—y”曲線法相對(duì)精確，可以進(jìn)行更多的分析研究。

3 結(jié)語(yǔ)

1)本文建立的整體式無縫橋梁與臺(tái)后土體及樁周土體相互作用的三維有限元計(jì)算模型是可行的，相對(duì)ANSYS建模采用“m”法、“p—y”曲線法更精確可靠；

2)對(duì)于樁基內(nèi)力可以對(duì)土體分層進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。

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Non-linear finite-element model for analysis of integral and jointless bridges

Zheng Xiuqin Wu Ming

(ShantouUniversity,Shantou515063,China)

Taking a built integral bridge for an example, 3D finite-element models of integral bridges and soils were established by using the large-scale finite element analysis software ABAQUS. The bridge structure was simulated by the ideal linear elastic model, and the initial stress balance of the foundation was also considered. In this paper, force performance of integral bridges was analyzed considering the dead load and thermal load. Comparing to the measured stress values from the built bridge, the finite-element model would be verified.

integral and jointless bridges, finite-element model, thermal load, force performance

1009-6825(2016)32-0183-03

2016-09-07

鄭秀勤(1991- )，女，在讀碩士； 吳 鳴(1975- )，男，副教授

U441

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