基于某連續(xù)梁0號塊局部力學行為分析研究

蔡 東

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430023)

0 引 言

預應力混凝土連續(xù)橋是將主梁與橋墩臨時固結(jié)作為上部結(jié)構懸臂施工的基礎，0號塊構造與受力復雜，0號塊梁端具有梁體高、鋼筋分布密集等因素，導致 0號塊容易出現(xiàn)問題，因此對其進行詳細的空間局部應力分析具有非常重要的意義[1-4]。本文以武漢一座跨越鐵路的連續(xù)梁橋為例，采用MIDAS FEA有限元軟件對其箱梁 0 號塊梁段進行了不同狀態(tài)下局部應力分析，為本橋的結(jié)構安全提供了可靠保證[5-10]。

1 工程概況

武漢四環(huán)線北段(90+150+90)m預應力混凝土連續(xù)箱梁，自南向北依次上跨京廣上行客車線、京廣下行客車線、京廣下行貨車線、武漢北下行環(huán)發(fā)線。上部結(jié)構采用(90+150+90)m變梁高連續(xù)箱梁，箱梁為單箱三室。箱梁頂寬42.9 m，底寬27 m，懸臂長7.95 m。頂板厚25 cm，中腹板厚80～140 cm，邊腹板厚100～160 cm，支點位置腹板加厚。底板厚由跨中的28 cm按拋物線變化至中支點梁根部100 cm，中支點處加厚到150 cm。梁高按1.8次拋物線變化，端支座處及邊跨直線段和跨中處為3.5 m，中支點處梁高10 m。由于跨越鐵路，本橋施工采用2個71 m T構轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體角度分別為87.47°、80.25°，轉(zhuǎn)體方向均為逆時針，轉(zhuǎn)體重量約3.3萬t。轉(zhuǎn)體完成后，依次支架現(xiàn)澆端部18.92 m、中跨現(xiàn)澆段及合龍段8 m。由于本橋具有橋面寬(跨越鐵路處42.9 m)、跨徑大(150 m)等特點，為考慮降低轉(zhuǎn)體橋梁的墩位，采用非常規(guī)的大懸臂箱室，橫斷面如圖1所示。

圖1 橫斷面(單位：cm)

2 有限元模型

利用有限元仿真分析軟件MIDAS FEA建立空間實體單元模型，依據(jù)圣維南原理，待研究的關鍵節(jié)段的應力分布只與其附近區(qū)域的應力狀態(tài)有關；而遠離該關鍵節(jié)段區(qū)域的應力狀態(tài)對其應力分布影響很小甚至可以忽略不計。關鍵節(jié)段細部計算，將以研究節(jié)段本身及其相鄰的施工節(jié)段作為研究對象，其應力分析精度滿足工程需要。本文選擇0號塊和跨中合攏段作為研究對象進細部分析，有限元模型如果圖2所示。

圖2 有限元模型

考慮施工階段及成橋運營階段的影響，分別計算以下3種工況。

工況一：施工階段體系轉(zhuǎn)換階段(最不利工況)。

工況二：使用階段最不利彎矩效應組合。

工況三：使用階段最不利剪力效應組合。

根據(jù)不同的荷載工況，從整體模型中提取相應截面的內(nèi)力施加于局部模型中剛性連接的主節(jié)點處，0號塊整體模型中提取的內(nèi)力情況見表1。

表1 結(jié)構作用荷載表

3 計算結(jié)果

由于計算模型需對結(jié)構進行一定的簡化處理，例如預應力鋼束以一條直線模擬，造成鋼束錨固端位置應力集中；而在實際結(jié)構中，鋼束錨固處都通過墊板和鋼筋網(wǎng)避免應力集中；支座位置通過鋼墊板及加強鋼筋網(wǎng)避免應力集中，故在計算云圖中那些鋼束錨固地方的應力集中無須關注。通過有限元計算分析，可以計算出3種工況下該橋0號塊箱梁的縱向正應力、主拉應力和主壓應力，見表2。

表2 應力計算結(jié)果

由于篇幅現(xiàn)在，本文只給出工況一的應力云圖，如圖3所示。

圖3 工況一作用下應力云圖(單位：MPa)

4 結(jié)論及建議

由以上分析可知：

(1)3種工況下，0號塊整體應力分布較均勻，零號塊頂板、橫隔板及中橫梁應力較為集中，設計時應注意相應加強配筋。

(2)頂板：頂板厚度變化位置對頂板壓應力影響較大，設計時建議盡量增加頂板厚度變化段長度，以改善頂板壓應力偏大的狀況。

(3)橫隔板：據(jù)計算可知，隔板在與頂板、腹板交界位置，整個橫隔板外圈正應力及主拉應力較為集中，建議適當加強倒角鋼筋即可。

(4)中橫梁：在箱室內(nèi)靠近頂板、外腹板處的中橫梁外表面，應力集中較為嚴重，主要表現(xiàn)為主拉應力較大，故建議對中橫梁有條件可適當布置豎向預應力，以改善其主拉應力偏大的問題；同時，可加強中橫梁箍筋的配置，進一步改善主拉應力引起的混凝土表面開裂問題。

(5)中橫梁過人洞位置局部主拉應力較為集中，此處需做好相應補強鋼筋。