基于ANSYS的組合箱梁拼接縫受力特性探究

安景峰 馬永磊 王繼林

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210000；2.華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

一、概況

某橋位于京滬高速公路，由于交通量日益增長，原有的道路設(shè)計已無法滿足交通需求，因此需要擴(kuò)建。大橋原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽-超20，掛車-120，拼寬后設(shè)計遵循現(xiàn)行荷載規(guī)范，設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-I級荷載。拼寬采用上部結(jié)構(gòu)剛性連接、下部結(jié)構(gòu)不連接的方案。

新、舊橋上部結(jié)構(gòu)均為7×25m先簡支后連續(xù)部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、肋板式橋臺，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁。橋梁立面圖及橫斷面如圖1、圖2所示。

二、建立有限元模型

圖1 ?某大橋立面圖（單位：cm）

圖2 ?拼寬后大橋橫斷面圖（單位：cm）

大橋的拼寬分析采用ANSYS有限元分析軟件，并以左幅橋梁為例建立全橋有限元模型如圖3所示，分析時不考慮縱橫坡影響。小箱梁、濕接縫及現(xiàn)澆層采用Solid45實體單元模擬；預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Link8單元模擬，并采用施加初應(yīng)變的方式模擬預(yù)加力；瀝青混凝土橋面鋪裝層僅考慮其質(zhì)量效應(yīng)，忽略其剛度貢獻(xiàn)，采用Mass21單元對瀝青鋪裝層的質(zhì)量分布進(jìn)行模擬；支座采用combine14彈簧單元模擬。

三、新舊橋梁接縫的橫向內(nèi)力分析

驗算位置選取接縫中部，并分析沿縱橋向的橫向彎矩分布情況，具體如圖4所示。

橋梁所受作用考慮恒載作用、汽車荷載作用和支座不均勻沉降作用。

（一）恒載作用

接縫澆筑前，新舊橋均已經(jīng)完成施工，且舊橋一側(cè)翼緣已部分鑿除。因此，結(jié)合該施工過程，將橋梁恒載作用分為3個階段：

1.殺死接縫及二期恒載單元，計算新舊橋分離下的作用效應(yīng)；

2.激活接縫單元的質(zhì)量及剛度；

3.激活二期恒載的質(zhì)量單元。

（二）汽車荷載作用

圖3 ?有限元模型

圖4 ?驗算位置示意圖

圖5 ?荷載橫向布置（單位：mm）

汽車荷載作用考慮不同的橫向布置。車道荷載橫向與縱向布置分別如圖5、圖6所示。根據(jù)荷載布置情況，計算工況如表1所示。

（三）支座不均勻沉降作用

支座不均勻沉降僅考慮新建箱梁發(fā)生沉降，并認(rèn)為支座沉降沿橫橋向呈線性變化。設(shè)置的2個沉降計算工況具體如下：

1.Case?sub1支座最大沉降量為3mm；

2.Case?sub2支座最大沉降量為5mm。

四、作用效應(yīng)組合后的橫向內(nèi)力驗算

以上各工況所得結(jié)果均為作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值（其中汽車荷載已考慮沖擊系數(shù)），參考《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》（JTG?D60-2015）的相關(guān)要求，對各作用效應(yīng)進(jìn)行組合，并根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG?3362-2018）驗算抗彎承載能力和裂縫寬度。

（一）抗彎承載能力驗算

根據(jù)規(guī)范組合各作用效應(yīng)，對比驗算位置的橫向彎矩包絡(luò)圖和抗力計算結(jié)果，驗算位置滿足正截面抗彎承載力要求，結(jié)果如表2所示。

（二）裂縫寬度驗算

圖6 ?荷載縱向布置（單位：m）

表1 ?汽車荷載工況

表2 ?驗算位置效應(yīng)抗力對比

圖7 ?接縫的裂縫寬度

依據(jù)規(guī)范提供的計算公式，結(jié)合有限元模型的內(nèi)力計算結(jié)果，可以得到橫向彎矩作用下驗算位置縱向裂縫寬度的分布情況，其中第一跨各驗算位置結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)計算結(jié)果，跨中各截面驗算截面2處最大裂縫寬度為0.012mm，小于最大裂縫寬度限值。因此，橫向受力情況下，接縫位置能滿足《公路混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于裂縫寬度的要求。需注意計算裂縫寬度時未考慮混凝土現(xiàn)澆層及接縫處箍筋的貢獻(xiàn)，因此接縫處的實際裂縫寬度會進(jìn)一步減小。