鋼筋混凝土連續剛構橋零號塊力學特性研究

劉耀東，曹紅焱，余天慶

鋼筋混凝土連續剛構橋零號塊力學特性研究

劉耀東，曹紅焱，余天慶

（湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北武漢430068）

鋼筋混凝土連續剛構橋0＃塊是橋梁下部結構與上部結構之間重要的連接部件，0＃塊受力復雜，施工難度大。對0＃塊施工過程中的力學特性進行研究能確保上部結構施工安全及線形準確。采用Midas有限元程序對0＃號塊進行空間模擬仿真分析是了解結構整體力學特性和局部受力特征的重要手段。

連續剛構；0＃塊；有限元仿真分析；力學特性

鋼筋混凝土連續剛構橋0＃塊在上部結構施工過程中受力復雜多變，是保證全橋結構穩定及施工安全的關鍵部位。本文以某大橋輔航道橋為例，通過有限元軟件Midas對0＃塊整體和局部的受力情況進行分析探討。確定出應力分布不利位置，得出應力計算值，為橋梁的施工提供理論依據。

1 工程簡介

某大橋輔助通航橋為70m＋70m連續剛構體系，上部結構箱梁采用三向預應力。0＃塊梁長12 m，頂板寬20.9m，中心位置梁高6m，梁底為2次拋物線。0＃塊底板墩身范圍內4m為直線段，左右對稱方向為變寬段。墩身橫橋向寬于箱梁底板，兩端延伸至箱梁腹板位置。具體結構見圖1。

2 有限元模型的建立

0＃塊在縱橋向基于支座中心線對稱，采用有限元Midas／Civil軟件，不考慮平彎和縱坡進行部分簡化，建立0＃塊整體模型。根據圣維南原理，在計算模型邊界處和0＃塊端面設置一段60cm的過渡區域，將模型中0＃塊邊界處實際受力等效代換成端面均布受力，遠離0＃塊區域的應力狀態對0＃塊的應力分布影響極小不予考慮，所以研究結果以0＃塊計算結果為準。施工過程中，0＃塊和1＃塊作為一個整體同時對稱澆筑成型，故將0＃塊和1＃塊區域的1／2模型作為有限元建模對象，運用有限元軟件Midas／FEA考慮箱梁2%的橫坡影響，結合結構的對稱性原理，建立橫橋方向剖面區域模型。

圖1 0＃塊結構圖

2.1 Midas／Civil的模型的建立

Midas／Civil中的桿系單元具有建模迅速、計算準確的特點，0＃塊所在的主梁模型總共運用了49個桿系梁單元模擬，主梁桿系單元的截面可以通過程序內置的設計截面中箱梁截面特性功能進行設計，通過在程序中輸入頂板、底板和腹板相應的各項尺寸參數即可，對于主梁單元沿縱向函數變化的截面位置采用變截面組分割單元，橋墩采用一般支撐模擬，橋墩和橋梁上部結構采用剛性連接模擬，邊跨現澆部分鉸支座只承受壓應力，故模擬采用一般支撐。Midas／Civil主梁桿系單元模型見圖2。

圖2 0＃塊整體模型

2.2 Midas／FEA模型的建立

Midas／FEA可以實現結構細部的非線性有限元分析。以0＃塊區域的橫隔板和墩梁固結處、腹板和底板的連接區域，橫隔板與底板連接的倒角處作為研究對象［2］，建模過程中考慮預應力張拉的控制及預應力松弛和摩阻的損失［3］。采用鋼筋單元模擬預應力鋼束和普通鋼筋，實體單元模擬混凝土，橋梁的縱向結構采用梁單元來模擬，模擬結果見圖3。

圖3 0＃塊局部模型

3 0＃塊整體受力分析

有限元計算表明，0＃塊在最不利荷載組合（自重＋溫度荷載＋基礎沉降＋掛籃荷載）作用下，順橋向正應力見圖4。可以看出，0＃塊整體呈現受壓狀態，橋墩與底板下緣的連接處承受壓應力最大的地方為9.6MPa，其它區域的壓應力均在1.1～9.6 MPa之間，.截面位移Dx＝2.258mm，Dz＝19.021 mm，Ry＝－0.0007rad，受力情況Fx＝303 562.1 kN，Fz＝－20 257.8kN，My＝9689.26kN·m，均滿足設計和規范要求。

可以看出，Midas／Civil的分析僅限于結構整體受力情況，對類似箱梁底板與橫隔板連接的倒角處等一些細部區域的分析則必須借助Midas／FEA。

圖4 整體應力云圖

4 0＃塊的局部受力分析

Midas／FEA對零號塊進行局部受力分析，主要是分析研究零號塊橫隔板和墩梁固結處，橫隔板與底板連接的倒角處，腹板和底板連接區域的受力情況。不考慮橋墩的受力變化情況，用鉸接約束代替了橋墩的作用。Civil模型中移動荷載追蹤器追蹤到最不利加載位置，0＃塊底部與墩底處，出現最大彎矩（表1）。

表1 墩頂處主梁局部模型邊界條件最大負彎矩

從整體模型中提取最不利加載位置處內力，依據圣維南原理，在0＃塊端截面節點施加等效荷載，考慮單元坐標系與整體坐標系存在夾角，把荷載值由單元坐標系等效換算成整體坐標系，對應以下三種荷載工況考慮。

施工階段的荷載組合。

工況一：施工階段的最不利彎矩效應組合內力值；

工況二：施工階段最不利剪力效應組合內力值，正應力荷載組合；

工況三：考慮0.8倍的預應力效應折減系數后，使用階段最不利彎矩效應組合內力值。

作用荷載取值均在設計與規范的允許范圍之內（表2）。

表2 荷載取值

本文僅給出施工階段最不利剪應力組合內力值，縱向剖切面圖能較清晰的顯示內部應力分布情況（圖5）。

圖5 施工階段局部應力云圖

從圖5中可以看出，0＃塊頂板表面處均處于受壓狀態，最大主壓應力12.45MPa，其分布情況與最小主應力分布情況基本一致。在三向正應力中，縱向應力為主要應力。0＃塊絕大部分的剪應力在1.50～－3.28MPa之間，在荷載作用下，0＃塊變形不大，均在設計和規范范圍之內。

橫隔板最大主拉應力0.375MPa，最大主壓應力0.571MPa橫隔板處應力變化不大，分布均勻，豎向應力較小。對結構影響不大。橫隔板與腹板上方的頂板出現壓應力。其最大拉應力位置與橫向正應力數值表現一致，說明橫向正應力是影響最大主應力的主要因素。底板最大主拉應力0.34MPa，最大主壓應力7.70MPa，橫隔板與底板連接的倒角處有局部應力集中現象，集中區域較小，最大應力值不大于－7.8MPa，不影響橫隔板和底板的使用功能，橫隔板和墩部呈現低應力區域，對0＃塊結構的影響可以忽略不計。

縱橋向，腹板處于受壓狀態，縱向應力與混凝土板縱向應力分布相同，腹板與底板連接處，腹板最大主拉應力0.24MPa，最大主壓應力11.43MPa。在設計和國家規范要求范圍之內。

5 結論及建議

鋼筋混凝土連續剛構橋0＃塊采用有限元軟件Midas／Civil和Midas／FEA進行仿真的結果表明，0＃塊在最大懸臂狀態下整體受壓，局部出現不超過0.571MPa的拉應力。支座邊緣處有應力集中現象，橫隔板內側、底板底面以及腹板內側面交接處局部有橫向拉應力出現。壓應力基本上都處于混凝土的抗壓強度設計值范圍內，并有足夠的壓應力儲備。采用Midas兩種不同軟件分析不僅可以考慮0＃塊在不同荷載工況下，整體受力和局部受力情況，還可以準確地模擬計算施工階段的荷載對結構局部變形的影響。通過對0＃塊進行空間分析，得到了應力分布規律，并針對薄弱區域提供以下解決措施。

1）應在頂板拉應力較大區域和頂板橫橋方向布置橫向預應力。

2）橫隔板施工過程中，防止橫隔板局部區域應力過大而產生裂紋，橫隔板陰角處可設置鋼板或者鋼筋網片等整改措施，

3）橫隔板與底板倒角外側區域通過加密加粗普通鋼筋來承擔高壓狀態混凝土過大的主應力。

［1］ 寧舟，李傳習，歐見人.變截面預應力混凝土連續箱梁橋0＃塊空間應力分析［J］.交通公路技術，2013，2（1）：43－45.

［2］ 魏俊.懸臂澆筑預應力混凝土連續梁橋0＃塊空間應力狀態分析研究［D］.長沙：中南大學，2009.

［3］ 王子強.矮塔斜拉橋0＃空間應力測試與分析［D］.哈爾濱：東北林業大學，2014.

［4］ 吳用賢.某大跨PC連續梁橋零號塊實體分析［J］山西建筑，2010，12（36）：329－330.

［5］ 張曉雷.龍華松花江特大橋0＃塊空間應力分析［D］.哈爾濱：東北林業大學，2011.

The Stress Analysis of Block Zero of Continuous Rigid Frame Bridge Concrete

LIU Yaodong，CAO Hongyan，YU Tianqing
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Reinforced concrete continuous rigid frame 0＃block is an important connection between the components of bridge substructure and superstructure.0＃block is forced complex and difficult in construction.The mechanical properties of 0＃block of the construction process are studied to ensure the safety and superstructure construction linear and accurate.Using finite element program midas is important means of spatial simulation analysis that is to understand the whole structure and mechanical properties of the local force characteristics of the 0＃block.

continuous rigid；zero block；finite element analysis；mechanical properties

U44

A

［責任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0111－04

2016－04－19

劉耀東（1969－），男，山東滕州人，湖北工業大學教授，研究方向為橋梁工程