連續剛構橋0^#塊空間應力分析

彭林峰　彭安銀

作者簡介：

彭林峰（1992—），碩士，助理工程師，主要從事高速公路建設管理以及試驗檢測等工作;

彭安銀（1995—），碩士，主要從事高速公路建設管理以及科技信息化管理等工作。

摘要：文章以某連續剛構橋的0#塊為研究對象，建立Midas FEA有限元模型，對其成橋后正常使用極限狀態下的0#塊空間應力狀況進行分析，同時對0#塊各關鍵截面的應力集中效應進行研究。結果表明：在剛構橋0#塊的設計中，應重點考慮頂板縱向預應力對0#塊應力分布的改善作用;0#塊的橫向應力和豎向應力不可忽視;0#塊橫隔板過人孔區域出現拉應力，建議在該區域布置構造鋼筋;0#塊截面倒角處存在應力集中現象，應嚴格控制倒角形狀和尺寸。

關鍵詞：連續剛構橋;0#塊;有限元分析;空間應力

中國分類號：U448.23A431575

0 引言

連續剛構橋由于其優異的力學性能和突出的跨越能力，在我國公路橋梁中占據重要地位[1-2]。在連續剛構橋的設計施工中，改善墩頂0#塊應力分布一直是研究的重點。由于0#塊梁高較高，且在頂底板、腹板和橫隔板交界處均存在不同形狀的倒角，其幾何結構較一般箱梁截面更為復雜。由于縱、橫、豎向預應力管道和普通鋼筋的存在，導致0#塊受力復雜且呈三向應力分布狀態[3-5]。若采用普通梁單元進行空間桿系分析將導致計算結果與實際情況存在較大偏差，影響連續剛構橋的施工與運營安全。已有學者對0#塊進行了實體有限元分析，并建議了優化設計策略[6-10]。0#塊作為剛構橋的重要受力構件，為防止其在運營階段出現開裂甚至壓潰等狀況進而影響橋梁結構安全，對0#塊進行成橋后的空間應力狀況分析具有重要意義。

本文以某大跨連續剛構橋的0#塊為研究對象，選取成橋運營階段的最不利工況，對0#塊的空間應力狀況進行分析，對0#塊的應力集中效應進行研究，并基于研究結果建議優化控制措施，為大跨徑連續剛構橋的設計施工提供參考。

1 工程概況

某橋為（72+130+72）m三跨預應力混凝土連續剛構橋，上部結構箱梁僅考慮采用縱向預應力筋。0#塊長12 m，頂板寬15.5 m，底板寬8 m，梁高7.5 m。主梁采用C55混凝土，橋墩采用C40混凝土。在0#塊內對應橋墩位置處設橫隔板，在橫隔板中設過人孔。下部橋墩采用雙肢薄壁墩，橋墩為（8×1.5） m的實心矩形截面，雙肢薄壁橋墩中心距離為5.5 m。橋墩橫向與0#塊梁底等寬。0#塊的具體尺寸如下頁圖1所示。

2 有限元模型的建立

0#塊的應力狀態與整個結構的應力分布是相互關聯的。根據圣維南原理[11]，本次分析將箱梁0#塊和1#塊以及5 m長的主橋墩作為研究對象，在Midas Civil軟件中將空間桿系單元導出，形成空間實體單元，利用Midas FEA的布爾并集運算建立0#塊的空間實體有限元模型?；炷敛捎脤嶓w單元模擬，特性賦值為C55。計算模型采用自動實體網絡劃分單元，共劃分為131 524個單元，30 890個節點。模型邊界條件在墩底采用固結處理，以約束墩底所有節點的線位移和角位移，在主梁截斷面處形成剛性面再按內力邊界條件施加。建立的0#塊Midas FEA計算模型如圖2所示。

本文先利用Midas Civil軟件建立全橋的梁單元桿系結構模型進行整體內力求解，得到成橋狀態下0#塊兩端的內力值。利用Midas FEA建立0#塊的局部實體有限元模型，并將成橋狀態下的內力添加在0#塊剛性面的主節點上，主節點位于該截面的重心位置。本文0#塊考慮的荷載工況為結構自重、二期恒載以及其他結構部分對0#塊產生的作用力。結構自重及二期恒載可直接在FEA中施加。在Midas Civil軟件中提取其他結構部分對0#塊的作用力施加在主節點上，如表1所示。

3 結果與討論

利用MIDAS FEA對0#塊進行仿真分析，可以計算出實體模型中任意單元及節點的位移、應力及應變。本文從不同方向的正應力以及主拉、主壓應力等角度考慮0#塊各截面位置的空間應力狀況以及應力集中效應。

3.1 縱向正應力分析

如圖3所示為0#塊縱向正應力分布云圖。由圖3（a）可知，0#塊底板的縱向正應力分布規律為：底板處于受壓狀態且壓應力較大，壓應力區間為-11.64～-8.69 MPa，最大值為-20.47 MPa（正號表示拉力，負號表示壓力，下同），未超過C55混凝土的抗壓強度設計值。0#塊頂板的縱向正應力分布規律為：頂板均處于受拉狀態，拉應力區間為11.94～14.88 MPa，其值遠大于C55混凝土的抗拉強度設計值，因此需要在0#塊頂板上布置較多的預應力鋼束以改善0#塊頂板的應力分布，防止頂板因承受較大拉應力而開裂。0#塊腹板的縱向正應力分布規律為：腹板呈現拉壓應力并存現象，因此需要在腹板適當布置縱向預應力鋼束。0#塊橫隔板的縱向正應力分布規律為：橫隔板呈現拉壓應力并存現象，其應力區間為-2.79～0.15 MPa。橫隔板與頂板和腹板的交界處出現拉應力，其應力區間為0.15～3.09 MPa，拉應力部分大于C55混凝土的抗拉強度標準值。在過人孔附近出現拉應力，其應力區間為0.15～3.09 MPa。橫隔板與頂板倒角處出現拉應力，其應力區間為6.04～11.94 MPa。橫隔板與底板倒角處的應力區間為-8.68～-5.74 MPa。[JP6]橫隔板與腹板倒角處呈現拉壓應力共存現象，其應力區間為-8.68～-11.94 MPa。

如圖3（b）所示，縱向正應力分析表明該0#塊的頂板端部截面處出現了應力集中效應，最大值為26.66 MPa。0#塊的墩梁固結處應力狀況復雜，且出現應力集中效應。在與底板和橋墩的交界處，出現較大壓應力，其應力區間為-11.64～-17.53 MPa，應力呈階梯形分布。結果表明，在墩梁固結處，壓應力集中效應明顯，且其值較大。

3.2 橫向正應力分析

如圖4所示為0#塊橫向正應力分布云圖。由圖4可知，0#塊頂板的橫向正應力分布規律為：頂板呈現拉壓應力并存現象，最大拉應力位于頂板上緣，其值呈散狀分布，應力區間為0.25～3.10 MPa。在頂板端部處出現應力集中現象，最大值為6.67 MPa。壓應力出現在頂板下緣，呈中心輻射漸變分布，其應力區間為-3.32～-0.46 MPa。0#塊腹板的橫向正應力分布規律為：腹板呈現拉壓應力并存現象，最大壓應力為-1.18 MPa，出現在腹板與底板交界處，最大拉應力為0.25 MPa，出現在腹板與頂板交界處。0#塊底板的橫向正應力分布規律為：底板呈現拉壓應力并存現象，最大壓應力為-4.74 MPa，出現在底板下緣靠近橋墩處，最大拉應力為2.40 MPa，出現在底板上緣，拉應力呈中心輻射漸變分布。0#塊橫隔板的橫向正應力分布規律為：橫隔板呈現拉壓應力并存現象，最大拉應力發生在過人孔附近，其值為3.81 MPa，最大壓應力發生在橫隔板與頂板交界處，其值為-2.60 MPa。

3.3 豎向正應力分析

如下頁圖5所示為0#塊豎向正應力分布云圖。由圖5可知，0#塊頂板的豎向正應力分布規律為：頂板出現拉壓應力并存現象，且其值呈交替分布狀態，最大壓應力發生在頂板上緣，其值為-1.36 MPa，最大拉應力為1.32 MPa。在頂板端部處出現應力集中現象，最大值為6.67 MPa。0#塊腹板的豎向正應力分布規律為：腹板受壓，最大壓應力為-5.37 MPa，出現在腹板與底板交界處。0#塊底板的豎向正應力分布規律為：底板受壓，最大壓應力為-9.38 MPa，出現在底板下緣靠近橋墩處，同時在此處出現應力集中現象，壓應力在此處呈中心輻射漸變分布。0#塊橫隔板的豎向正應力分布規律為：橫隔板呈現拉壓應力并存現象，最大拉應力發生在過人孔附近，其值為1.32 MPa。

3.4 主應力分析

如圖6（a）所示，0#塊的主拉應力主要表現為橫向拉應力。0#塊的主拉應力分布規律為：頂板承受拉應力，其應力區間為10.09～18.08 MPa，在頂板斷面處端部出現應力集中現象，最大值為28.08 MPa。底板呈現拉壓應力并存現象，其應力區間為-3.90～0.01 MPa。橫隔板也出現拉壓應力并存現象，應力區間為-1.90～2.09 MPa。底板與橋墩交界處、橫隔板與頂板底面均出現應力集中現象，最大拉應力為8.09 MPa。圖6（a）的主拉應力分析表明0#塊的拉應力大部分出現在頂板，拉應力區間為12.09～14.09 MPa，大幅超出了C55混凝土的抗拉強度標準值。在主拉應力狀態下，壓應力所占比值較小，壓應力區間為-1.90～-0.01 MPa。頂板拉應力和底板部分拉應力均大于C55混凝土的抗拉強度標準值，應力集中區域的主拉應力部分大于C55混凝土的抗拉強度標準值。

如圖6（b）所示，0#塊的主壓應力主要表現為縱向壓應力，此時，0#塊頂板呈現拉壓應力并存現象，其應力區間為-3.44～5.25 MPa。底板受壓，其應力區間為-22.55～-8.65 MPa。橫隔板呈現拉壓應力并存現象，其應力區間為-10.39～1.78 MPa。

4 結語

本文針對某連續剛構橋的0#塊進行空間應力分析，可得出以下結論：

（1）0#塊頂板拉應力較大，應力區間為11.94～14.88 MPa，大幅超過了C55混凝土的抗拉強度設計值，故應著重考慮頂板縱向預應力鋼束對0#塊拉應力分布的改善作用。

（2）在單箱室箱梁0#塊中，橫向應力和豎向應力不容忽視。該橋0#塊頂板上緣橫向最大拉應力為3.10 MPa，頂板下緣橫向最大壓應力為-3.32 MPa。頂板上緣拉應力、下緣壓應力均較大，開裂風險高，需設置橫向預應力鋼筋。腹板的最大拉應力為14.88 MPa，需在腹板處設置豎向精軋螺紋鋼筋來抵抗0#塊豎向及橫向拉應力。

（3）0#塊截面倒角處局部應力集中顯著，最大拉應力為11.94 MPa，最大壓應力為-11.64 MPa。在0#塊施工時，要確保尺寸準確、截面倒角圓滑，以此來減少應力集中效應。

（4）在橫隔板過人孔區域出現了0.15～3.09 MPa的拉應力，應在橫隔板的過人孔處布置構造鋼筋。橫隔板處出現拉壓應力并存現象，其最大拉應力為6.04 MPa，開裂風險較高，故需在橫隔板處布置橫向預應力筋。

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