基于三維有限元支座布置對連續箱梁受力的影響分析

楊 娜，武登磊

(廣州快速交通建設有限公司 廣州市 510475)

0 引言

混凝土箱形截面具有良好的抗彎和抗扭特性，已成為不同跨徑混凝土橋梁設計的首選橋梁結構形式[1-4]。

常規設計采用桿系進行設計，通過橫向分布系數[5-6]、應力增大系數[7-9]等方法進行考慮。

桿狀構件，即長度遠大于高度和寬度的構件，在拉壓、剪切、彎曲、扭轉作用下的應力和位移，可以利用經典的材料力學公式計算分析。對于復雜結構，為得到其進一步、較精確的分析，可采用三維實體模型進行計算。薛興偉等[10]利用三維實體單元建立連續箱梁全橋模型求取偏載系數進行了研究,并將實體單元結果,與薄壁桿扭轉理論、修正偏壓法、偏壓法、經驗系數法進行了對比分析。喬倩妃等[11]采用三維有限元實體分析法研究預應力鋼筋混凝土錨固區的應力狀態,分析了鋼束彎折角度及錨固塊順橋向長度對錨固區應力的影響,得到了一些基本規律。張春雷[12]通過建立三維實體單元模型模擬該連續梁分析發現,后澆段配束方案可能是導致該區域開裂的原因,施工過程中支架對結構的作用也可能導致該結構底板出現裂縫,而運營過程中的超載對結構影響較小。

箱梁結構類型多、邊界條件復雜，難以用簡單的系數進行概括。擬采用三維有限元，對支座布置對連續箱梁受力的影響進行分析。

1 工程背景及模型的建立

某連續梁橋，其橋跨組合為(4×30)m，界面為單箱雙室斜腹板截面，主梁采用C50混凝土。橋寬12.5m，梁高1.8m。采用MidasFEA六面體實體單元建模，每個節點3個平動自由度。全橋連續梁主梁共劃分了節點28995個，單元24915個。模型通過在2#墩，分別考慮不同的支座布置形式，來考查支座布置形式對連續箱梁受力的影響分析。

(1)三維實體模型一：雙支座模型。全橋在0#～4#墩均設置雙支座，支座間距為5.2m，見圖1(a)。

(2)三維實體模型二：單支座模型。在0#、1#、3#、4#墩設置雙支座，支座間距為5.2m；在2#墩設置單支座，見圖1(b)。

圖1 連續梁三維有限元模型及空間加載

主梁混凝土采用C50，計算主要參數取值為：彈性模量Ec=3.55x104MPa、容重γ=26kN/m3、泊松比μ=0.167。二期恒載設置于橋面，按照3.526kN/m2考慮，見圖1(c)，同時考慮結構自重。

為與空間模型進行有效對比，發現差異，同時建立了桿單元模型，見圖2。

圖2 連續梁桿系模型及空間加載

2 支座布置對箱梁受力的影響分析

通過單支座、雙支座的三維實體模型與桿系模型進行對比。

2.1 縱向正應力

(1)縱橋向正應力結果

圖3分別為桿系模型、三維實體模型一雙支座模型、三維實體模型二單支座模型，在2#墩的縱橋向截面上緣正應力圖。

圖3 2#墩縱橋向截面上緣正應力(單位:MPa)

圖3(a)為桿系模型，整個截面同一高度的應力均相同，桿系模型2#墩的縱橋向截面上緣正應力為3.2MPa。圖3(b)、圖3(c)采用了線上圖功能，能將兩點間的計算結果，取出若干個計算結果進行圖示，具有方便、直觀的特點。圖3(b)、圖3(c)為實體模型2#墩的縱橋向截面上緣正應力的線上圖結果。由圖3(b)、圖3(c)可見：

實體模型的最大縱向拉應力均大于桿系模型，其分別是桿系模型的倍數：

三維實體雙支座模型3.65MPa/桿系模型3.2 MPa=1.14倍。

三維實體雙支座結果3.91MPa/桿系模型3.2MPa=1.22。

說明桿系模型計算偏危險，應引起注意；另外，單支座形式最為不利，達桿系模型的1.22倍。

2.2 橫向正應力

圖4分別為三維實體模型一(雙支座模型)、三維實體模型二(單支座模型)，在2#墩的橫橋向截面上緣正應力圖。桿系單元由于不能提取橫向的應力，不能列出。

圖4 2#墩橫橋向截面上緣正應力(單位:MPa)

由圖4可見：

(1)支座形式改變了箱梁橫隔梁的受力形式。在單支座形式時，與兩側帶懸臂梁的受力形式相似；而雙支座時，主要表現為簡支梁兩側帶懸臂梁的受力形式。

(2)三維實體單支座模型3.17MPa/三維實體雙支座模型1.13MPa=2.81倍。單支座情況下，在橫向的效應增大幅度很大，在設計時應引起足夠的重視。

3 結論

以實際工程為背景，建立三維有限元模型，對支座布置對連續梁橋橫向正應力及縱向正應力進行分析研究，得到了在自重及二期恒載的作用下，單支座及雙支座的不同布置形式對橫向正應力及縱向正應力均有較大的影響，尤其以單支座更偏于不利。另外，結構設計采用桿系模型，將難以考慮支座不同形式對結構的影響，且偏于不安全，應引起足夠的重視，結合三維有限元模型計算結果進行設計。