幾何非線性對斜交高墩受力性能的影響研究

卓小麗

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國公路交通建設的飛速發展，連續梁橋因其施工技術成熟、跨越能力較強等特點得到了廣泛推崇和使用。而因線路及地形限制等原因，斜交高墩連續梁橋也應運而生，其結構受力特性及非線性效應也備受研究學者們關注。胡立華等[1]以湘西酉水大橋為研究背景，對結構在最高墩施工階段及最大懸臂施工階段的動力特性進行了分析，并結合現場實測數據對橋梁結構剛度進行了評價。陳建平等[2]針對酉水大橋，研究了日照溫度對斜交高墩施工線形的影響規律，并提出了墩身線形及軸線偏位的施工控制措施。戴桂華等[3]以一大跨連續箱梁橋為研究背景，對其斜交高墩在幾何非線性效應下的受力性能及多重非線性作用下的結構屈曲性能進行了分析，并研究了不同斜交角度對橋墩非線性屈曲的影響規律。李良[4]對斜交高墩發電大橋的抗震性能進行了分析，并對比分析了墩高、橋梁跨徑及斜交角度等參數對橋梁地震響應的影響。白青俠等[5]采用能量法并考慮地基彈性變形的影響對橋梁高墩進行了非線性效應分析。辛延甫等[6]以西部某大跨高墩連續剛構橋為背景，考慮樁土作用下分析幾何非線性對結構施工階段和成橋運營階段的受力性能的影響，并揭示了墩高對幾何非線性效應的影響規律。本文擬以廣西某大跨斜交高墩連續箱梁橋為研究背景，對其斜交高墩的非線性效應進行分析研究，以期為同類型項目提供一定參考。

1 工程概況

本項目以廣西某大跨斜交高墩預應力鋼筋混凝土變截面連續箱梁橋為依托工程，其跨徑布置為(85+150+85) m。主梁斷面為單箱單室箱形截面，梁底線形按1.8次拋物線變化，箱梁支點處梁高為9.0 m，跨中梁高為4.0 m。箱梁頂板全寬為12 m，單箱設有2%的單向橫坡。底板寬度為6.5 m。箱梁在梁端設置一道1.8 m厚橫隔板，兩個主墩頂各設一道4.5 m厚橫隔梁。主墩為5#、6#墩，墩身采用雙肢矩形空心墩，順水流布置，主橋墩軸線與橋梁中心線成65°夾角。左右兩幅主墩間設置系梁，肢間中心間距為1 379.2 cm。其中，5#墩高為61 m，在墩底往上20 m處設置一個變截面段，橫向放坡40∶1，縱向放坡80∶1，20 m以上部分為等截面。兩個空心墩壁厚125 cm，橋墩及蓋梁均采用C40混凝土。具體橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(cm)

2 斜交高墩有限元模型的建立

利用Midas Civil軟件建立背景連續箱梁橋上部結構有限元計算分析模型，采用空間梁格法進行主梁的模擬，其計算模型和邊界條件如圖2所示。為研究幾何非線性對斜交高墩受力性能的影響，考慮大橋在正常使用時長期和短期作用下的荷載組合對主梁進行受力分析，提取5#墩頂支反力總結如表1所示(其中：FX為順橋向反力，FY為橫橋向反力，FZ為豎向反力)。

圖2 箱梁空間梁格模型圖

表1 支座反力組合值表

如表1所示，結構在正常使用短期組合作用下支座反力比長期組合大，故采用正常使用短期效應組合下結構支座反力值對5#斜交高墩進行幾何非線性影響效應分析。

背景橋梁主橋5#墩高61m，在墩底往上20m處設置一個變截面段，橫向放坡16∶1，縱向放坡80∶1，20m以上部分為等截面。該墩為薄壁矩形空心墩，壁厚125cm。以該橋墩為工程實例，利用有限元軟件ANSYS建立實體有限元模型，對該橋墩實際受力情況進行模擬，橋墩及蓋梁均采用SOLID65實體單元進行模擬，墩底采用固定約束。根據所計算支反力對模型施加墩頂豎向荷載及水平荷載，并考慮墩身重力荷載。相關計算參數如下：C40混凝土彈性模量為3.25×1010Pa，泊松比為0.3，密度為2 600kg/m3。斜交高墩有限元模型如圖3所示。

圖3 5#橋墩有限元模型圖

3 幾何非線性影響結果分析

根據上述所建模型，利用ANSYS軟件自帶的幾何非線性分析模塊對斜交高墩進行幾何非線性影響效應分析，對比分析斜交高墩在考慮幾何非線性與不考慮幾何非線性兩種工況下結構的受力及變形，總結幾何非線性對斜交高墩的影響規律。具體分析結果如下。

3.1 幾何非線性對結構變形的影響分析

經計算分析，考慮橋墩幾何非線性條件下，橋墩X方向最大位移為0.046 317m，Y方向最大位移為0.014 501m，Z方向最大位移為0.012 994m；不考慮橋墩幾何非線性條件下，橋墩X方向最大位移為0.044 719m，Y方向最大位移為0.014 151m，Z方向最大位移為0.012 77m。

幾何非線性對結構三向變形影響對比如圖4所示。相較于不考慮斜交高墩幾何非線性，考慮幾何非線性的斜交高墩X方向最大位移增大了3.6%，Y方向最大位移增大了2.5%，Z方向最大位移增大了1.8%。

圖4 幾何非線性對高墩三向變形影響對比柱狀圖

3.2 幾何非線性對結構應力的影響分析

對比分析斜交高墩在兩種工況下的結構應力的影響，因結果圖較多，僅提取考慮橋墩幾何非線性的結構應力圖(如圖5所示)。考慮橋墩幾何非線性條件下，橋墩最大拉應力為2.29MPa，最大壓應力為12.2MPa；不考慮橋墩幾何非線性條件下，橋墩最大拉應力為2.21MPa，最大壓應力為11.7MPa。相較于不考慮橋墩幾何非線性，考慮橋墩幾何非線性的橋墩最大拉應力增大了3.6%，最大壓應力減小了4.3%。

(a)第一主應力

(b)第二主應力

(c)第三主應力

(d)等效應力

4 結語

本文以廣西某斜交高墩連續箱梁橋為依托背景，研究了幾何非線性效應對斜交高墩受力性能的影響規律，具體結論可總結如下：

(1)相較于不考慮幾何非線性效應，考慮幾何非線性效應的背景橋梁斜交高墩變形增大了3.6%，最大拉應力增加了3.6%，最大壓應力減小了4.3%。考慮幾何非線性效用后，結構受力及變形更為不利。

(2)幾何非線性效應對斜交高墩的受力性能存在較大影響，尤其對于柔性高墩的影響，幾何非線性效應不容忽視。