矮墩式剛構橋受力行為仿真分析

李英森

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司，貴州 貴陽 550000)

矮墩式剛構橋受力行為仿真分析

李英森

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司，貴州 貴陽 550000)

結合清水江大橋實例，在簡述建模方法的基礎上，從溫度、基礎沉降、局部應力三方面對橋梁受力行為進行仿真分析，并驗算了結構強度及使用性能，得出本橋可行，存在局部應力，但可采取措施予以有效處理的結論。

矮墩剛構橋；受力行為；仿真分析

1 工程概況

清水江大橋位于為鐮刀灣至下司段，大橋跨越清水江，起點樁號KF6+870.922，終點樁號FK7+129.080。橋跨布置為65 m+110 m+65 m預應力混凝土箱梁連續剛構，橋梁全長258.158 m，全橋處于直線段范圍，縱坡為1.009%。

2 基于有限元分析的受力行為計算模型

2.1 空間桿系計算模型

在運用梁格法對箱梁結構實施模擬時，假設梁格網格處于上部結構，所有縱向構件均與同方向的腹板保持重合，此種布置形式可直接運用梁格剪力進行表達。橋梁上部結構、承臺以及橋臺圓孔均運用梁單元進行模擬，而橋臺和樁則使用柱單元實施模擬，建模工具選用MIDAS/Civil。

2.2 全橋計算模型

為對橋臺和主體的連接區域進行詳細的應力分析，并掌握應力的具體分布情況，此次研究選用ANSYS軟件創建出了全橋的計算模型。其中，橋梁的上部結構、承臺與樁基礎等部分通過軟件中的solid95單元完成模擬；而地基與樁基外側的摩擦力則通過軟件中的combin14單元完成模擬，等代土彈簧剛度通過相應的動力計算得出，計算公式如下所示

Ks=a×bp×m×z

(1)

式中：a代表土層的實際厚度；bp代表此土層在與模型相互垂直的平面上的寬度；z代表土層的深度。

3 計算結果及評價

3.1 溫度影響分析

橋梁直接受到外界環境因素的影響，尤其是溫度的變化，晝夜溫差、日照時間等都會對橋梁的應力情況造成影響，所以溫度影響分析十分重要。由于日照存在一定差異，所以橋梁會因此受到影響，主要表現為產生縱向次應力，與此同時，橋梁的寬度較大，在這種情況下，箱梁也會產生次應力，但方向有所不同，箱梁上的次應力為橫向的。在箱梁中，每單位長度的節段即為一個全閉合形式的框架結構，在受到日照作用下，箱梁頂板的溫度會明顯高于側板，使得箱梁各面伸長量不同，而且在溫度條件下產生的變形還會受到腹板及底板的制約，導致箱梁四壁產生軸力，這對于橋梁的穩定性而言，是較為不利的。以下為本橋梁經歷的四種典型工況，分別為：橋梁上部結構溫度提升20 ℃；橋梁上部結構溫度下降20 ℃；不均勻溫升14 ℃以及不均勻溫降14 ℃。

主梁在受到溫度荷載影響下的彎矩應力如表1所示。

表1 主梁在受到溫度荷載影響下的彎矩應力

通過對溫度條件的進一步分析得知，溫度變化會對橋梁造成較大的影響，在排除其他影響因素的前提下，由溫度造成的拉應力最大值可以達到1.05 MPa，雖然未超出設計限度，但為了從根本上防止開裂等問題的發生，還需在頂板處增設鋼筋網加固。

3.2 基礎沉降影響分析

在超靜定閉合結構中，結構自身會由于基礎沉降等原因產生一定次內力。特別是在地質條件相對較差的情況下，這一現象將更加明顯，必須對此引起足夠的重視。此次研究就①號軸出現的沉降，對次內力的產生及變化特點進行分析，該軸對應樁基出現約5 mm的沉降，計算軟件選用ANSYS。

由計算結果可知，在基礎沉降條件下，頂板及底板應力均保持在-0.8～0.8 MPa范圍內，與此同時，上部結構的最大應力通常出現在墩臺之間，最大值可以達到1.06 MPa。根據這一特點可斷定橋墩與承臺之間的銜接是一個十分薄弱的環節。對此，可采取配筋與改造等方式進行處理，也可以對墩底的截面進行加寬，以此消除基礎沉降對橋梁造成的不利影響。

3.3 矮墩局部應力影響分析

對于單跨剛構橋而言，其在結構上的主要特點為角藕節點，其通常出現在主梁與立柱的連接位置。此節點需要承受極大的彎矩，確保跨中的正彎矩滿足卸載條件。此外，本橋還使用雙肢薄壁墩，并在墩上進行等距開孔，這樣可能造成應力集中等問題。基于此，以ANSYS為工具進行全橋建模，重點探究恒載條件下的應力變化。

由具體的應力分布情況可知，圓孔周圍實際拉應力均保持在0.5 MPa左右，但主梁上的箱形截面頂板和墩身銜接處，拉應力遠大于0.5 MPa，為1.26 MPa左右，通過以上分析得知，此部分最大自然應力不會超過0.7 MPa，因此，此處角藕節點受力超限，必須及時采取有效措施，否則將出現開裂等問題，威脅施工安全。

3.4 上部結構強度與性能驗算

為對橋梁上部結構強度和性能進行分析驗算，需借助有限元分析，根據橋梁的實際情況，創建橋梁結構的空間梁格模型，分別算出主橋不同條件下的內力，以內力與配筋作為基準核算橋梁上部結構強度。當結構處于承載的極限狀態時，橋梁抗彎強度、抗剪強度等均符合標準要求，且在相應的狀態下，構件裂縫的最大寬度為0.14 mm，基本滿足規定。

4 結束語

通過對本矮墩剛構橋的受力行為分析可知，此橋可行，穩定性較好。但存在局部應力的情況，所以應針對產生局部應力的位置采取適宜的措施進行處理，同時考慮構造與配筋等方面的問題，確保此橋發揮最佳使用性能。

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[2] 李偉強. 某單孔雙薄壁矮墩剛構橋的受力行為分析[J].特種結構,2010,(2):81-83.

[3] 曹淑上,江建斌,張永水,張明強,馬愛霞. 少聯大跨徑連續-剛構組合橋的受力分析及合龍順序探討[J]. 現代交通技術,2006,(6):34-37.

2016-09-06

李英森(1984-)，男，貴州盤縣人，工程師，主要從事橋涵設計工作。

U442

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：1008-3383(2017)06-0087-02