基于有限元的裝配式簡支T梁橋力學性能分析與地震響應

周俊峰 王騏

摘要 文章以實際某工程為依托，利用Sap2000有限元軟件對裝配式簡支T梁橋模擬計算;探討了裝配式簡支T梁橋在移動荷載下的力學性能與其在地震荷載下的應力應變大小與最不利位置。計算結果表明，在橋梁最不利承載荷載組合下，主梁的最大撓度、微應變均發生在每跨梁的跨中。地震作用下，主梁的撓度大小可忽略不計，最大位移發生在橋墩墩頂位置，最大彎矩剪力發生在墩底位置。同時主梁與墩頂都發生了大幅度的水平位移，同時橋墩出現較大的應變。

關鍵詞 有限元模擬;力學性能分析;最不利位置;地震響應

中圖分類號 U448.216 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0091-03

0 引言

簡支梁橋其結構本身為靜定結構，相鄰各跨單獨受力，受力相對單純，且不受支座變位等影響，因此適用于各種地質情況。構造簡單容易做成標準化、裝配化構件，制造、安裝都較為方便。正常情況下，橋梁不會有剛體位移，而在內力作用下，一端可以自由變形，因此不會產生多余的次內力。

這種結構也使簡支梁橋存在著一定缺陷，即其固定鉸支座在起到約束橋梁縱向變形作用的同時，其活動支座端則會存在相對滑動，可能會在最不利荷載或地震作用下發生結構破壞。故該文以某實際工程為依托，利用有限元軟件考慮其最不利荷載情況與地震作用下的響應，判斷危險截面位置，對橋梁后續的安全運營與健康監測提供一定理論依據[1]。

1 有限元模型的建立

1.1 橋梁概況

西南地區某橋采用裝配式鋼筋混凝土簡支T梁;雙柱式橋墩，橋墩直徑為1 m、1.2 m，鉆孔樁基礎及明挖擴大基礎。橋梁全長143.26 m，單跨每跨16 m，設有1.2%的斜坡。橋寬12 m，左右兩端設有1.5 m人行道，雙向兩車道設計，并設置0.5 m防撞護欄。設計荷載為公路I級。橋梁立面與主梁橫斷面分別如圖1所示。

1.2 有限元模型建立

首先運用AutoCAD建立橋梁的二維模型，簡化為桿件單元。

設置橋梁邊界條件與約束如下：

（1）橋墩底部設置為固定端，主梁左端設置為固定鉸，右端設置為活動鉸。

（2）每一跨簡支梁的橋墩頂部一點與橋梁主梁伸縮縫處的兩點進行節點約束的指定，其中，三點同時指定約束Equal Z，靠活動鉸一邊的點與橋墩頂部的點指定節點約束Equal X[2]。

導入模型與有限元模型平面模型分別如圖2所示。

主梁與橋墩分別使用C50、C30鋼筋混凝土材料;設置好截面屬性后，將其指派給相應的單元。橋梁3D有限元模型如圖3所示。

橋梁設有雙向兩車道與兩邊人行道，設計荷載為公路I級。溫度荷載按照升溫30℃與降溫30℃定義。各車道中心線偏移位置如表1所示。

根據規范，該文車輛荷載定義了CD、CL、REN350，如表2所示。

地震的加速度數據在SAP2000中可以通過時程分析的定義來實現。該橋模擬采用汶川地震地震波，比例系數取0.41，輸出時段大小為0.02，計算得出時段數值為25 000。

該文主要考慮以下四種組合：

（1）CDRS：車道+人群+升溫30℃（1.4CD+1.05REN

+0.8SW30）;

（2）CDRJ： 車道+人群+降溫30℃（1.4CD+1.05REN

+0.8JW30）;

（3）MCL：車輛（CLZ//CLP）;

（4）MAXMIN：此組合是前三種組合的包絡形式組合。

2 計算結果分析

結構模型建立后，在SAP2000中開始對所創建的模型進行計算分析。運行分析時，直接參考數據為MAXMIN組合中數值進行處理分析。

2.1 活載和溫度作用下力學性能

結構在受力或受到非均勻溫度變化時，桿件在垂直于軸線方向產生的線位移為結構的撓度，永久作用和可變作用都是影響結構撓度的重要因素。

全橋從左到右將主梁命名為1-9#梁。主梁上節點的最大豎向位移為1.222 cm，位置處于7#梁1/2處，該橋計算跨徑為16 m，計算橋梁豎向位移為2.67 cm，符合要求[3]。

彎矩最大值發生截面在每一號梁的中部，橋墩主要承受軸力;計算可得其最大應變值為12.21個微應變，該值遠小于鋼筋混凝土設計規范中混凝土的極限壓應變。

計算出各桿件的應變值。部分計算所得結果如表3所示。

較大的正彎矩都發生在主梁部分每跨的跨中位置。其截面底部下邊緣承受全梁最大的拉應力，上邊緣承受最大的壓應力。截面下邊緣微應變最大值出現在3#梁、4#梁、5#梁、9#梁跨中截面的下邊緣，其中最大微應變為113。

2.2 地震作用下橋梁響應

地震作用對結構的破壞力度很強，這也對結構的性能提出了更高的要求。地震作用時，主梁和橋墩都有較大的水平位移[4]。地震作用下Step50橋梁的變形如所圖4所示。

從圖4看，主梁的撓度大小基本忽略不計;該橋由于其簡支梁的結構特點，每個橋墩墩頂的橫向位移與每跨主梁一致，下面只列出在地震作用橋墩上節點的橫向位移。

表4為地震作用下橋墩節點的最大最小水平位移。

由表4可見，橋墩上的最大位移發生在5～8#橋墩墩頂位置，同時與主梁上位置對應。

在地震作用下，橋墩承受了絕大部分的彎矩，軸力發生在主梁上且其數值很小可以忽略不計。地震作用的彎矩包絡圖如圖5所示。

表5為橋墩上危險截面微應變。

橋墩承受了較大的應變，主要發生在每個橋墩的底部以及橋墩的3/4處到1/2處，其中最大微應變值為362，位置在5#墩底部[5]。

3 結論

該文主要對所建立的有限元模型的計算結構進行處理分析得到橋梁在不同工況下的力學性能，同時分析了地震作用下簡支梁橋的地震響應。

（1）在橋梁最不利承載荷載組合（MAXMIN組合）下，主梁的最大撓度、微應變均發生在每跨梁的跨中。

（2）在移動荷載與溫度作用下，由主梁承受絕大部分的彎矩，是撓度和應變的主要發生點。橋墩承受大部分軸力（壓力），在此情況下，重點監測主梁的撓度與應變值。

（3）在地震作用下，橋墩承受主要彎矩，而墩底則是應變最大最小值的發生點。主梁與墩頂都發生了大幅度的水平位移，同時橋墩出現較大的應變。

參考文獻

[1]游四方，鄭史雄，賈宏宇，等.地震作用下簡支梁橋縱向碰撞模擬[J].鐵道標準設計，2020（12）：59-66.

[2]高文軍，蘭海燕，張奔牛，等.公路大跨度橋梁建設期抗震設防標準研究[J].橋梁建設，2021（2）：47-53.

[3]王戒躁，鐘繼衛.大跨橋梁健康監測系統設計構成及其進展[J].橋梁建設，2009（2）：7-11.

[4]賈玉琢，賢鵬，李曰兵.基于時程分析法分析500 kV長短腿貓頭直線塔的地震反應[J].四川建筑科學研究，2011

（1）：141-145.

[5]鄔曉光，徐祖恩.大型橋梁健康監測動態及發展趨勢[J].長安大學學報（自然科學版），2003（1）：39-42.