大跨連續(xù)梁中橫梁橫向鋼束對人孔受力的影響分析

尹 華，李 煉

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引 言

在連續(xù)梁設(shè)計時，為了滿足檢修功能，通常會在0號塊中橫梁處設(shè)置人孔。對于很多大跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，0號塊的空間形狀十分復(fù)雜。在0號塊范圍內(nèi)，有沿橋跨方向變化的頂板、底板和腹板，并且在各個板件之間設(shè)置了不同形狀的承托和倒角，各板件的受力分布很不均勻[1]。同時，由于設(shè)置人孔，在人孔周邊會出現(xiàn)更為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。在橋梁設(shè)計時，為準確把握該部位的應(yīng)力分布情況，通常對0號塊人孔進行單獨分析。

本文結(jié)合工程實例，通過MIDAS CIVIL 對橋梁整體受力情況進行分析，同時根據(jù)圣維南原理，采用“把梁單元進行整體計算所得內(nèi)力和位移作為局部切開處的內(nèi)力和位移邊界條件”的方法，提取整體計算中的結(jié)果，采用ANSYS 軟件，提取0號塊人孔局部結(jié)構(gòu)進行實體分析[2]。

1 工程概況

某工程新建橋梁上部結(jié)構(gòu)采用60 m+105 m+105 m+60 m 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)總寬17.7 m，采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，施工時采用掛籃懸臂施工。橋梁的橋型布置如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

由于橋墩高度不高（4.5～10 m），14號墩采用固結(jié)墩，13號和15號墩設(shè)置支座。上部結(jié)構(gòu)按照全預(yù)應(yīng)力設(shè)計，采用縱向、橫向和豎向三項預(yù)應(yīng)力體系。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用60 m+105 m+105 m+60 m 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，14號墩墩梁固結(jié)，13、15號墩設(shè)置支座，12、16號墩為過渡墩。主梁采用C60 混凝土。橋?qū)?7.7 m，采用單箱雙箱型斷面，其中箱寬12 m，兩側(cè)懸臂各長2.85 m。腹板采用直腹板。主梁根部梁高6.3 m，跨中及邊跨端部梁高為2.8 m。主橋0號塊中橫梁高6.3 m，厚3 m，中橫梁與頂板和底板相交處均設(shè)置加腋，為方便以后檢修，在中橫梁處設(shè)置人孔。人孔為橢圓形，人孔高1.6 m、寬1 m，人孔中心距離中腹板邊1.775 m，人孔底部距底板底1.75 m。為改善人孔周邊局部受力，在人孔上下各設(shè)置了15 根φs15.2-3 的鋼束，鋼束平行于頂?shù)装澹捎媒诲e單端張拉，均為直線線形。中橫梁人孔橫斷面如圖2 所示。

圖2 中橫梁人孔橫斷面圖（單位：cm）

2 計算建模

2.1 整體模型

采用MIDAS CIVIL 建立全橋單梁整體模型[3]。建模時，全橋上下部整體建模。上部結(jié)構(gòu)采用變截面三維空間梁單元模擬；橋墩單元采用等截面三維空間梁單元；樁基采用圓形截面梁單元，同時設(shè)置土彈簧來模擬土層的約束作用。全橋模型設(shè)置時考慮各個懸臂施工階段，同時對施工掛籃荷載進行模擬。全橋共劃分622 個空間梁單元，677 個節(jié)點。全橋空間模型如圖3 所示。

圖3 MIDAS 單梁模型圖

2.2 0號塊人孔局部實體建模

整體計算結(jié)束后，提取運營狀態(tài)下14號固結(jié)墩和13號支座墩的內(nèi)力，分別對兩種不用約束條件下的0號塊人孔應(yīng)力進行分析。

在進行0號塊空間應(yīng)力分析時，根據(jù)圣維南原理，建模時應(yīng)選取除包括0號塊本身梁段外的一定范圍的梁段[4]。分析時根據(jù)箱梁尺寸，各往外選取1 個梁段范圍的梁段（即1號塊位置），同時對固結(jié)墩建立橋墩模型，對支座墩建立支座約束模型。限于篇幅，本文主要給出支座墩13號墩的0號塊人孔分析。

采用ANSYS 建模時，箱梁和橋墩模型采用solid95號單元，鋼束采用link8 單元，共劃分61 552個單元，92 944 個節(jié)點。為簡化分析，不考慮普通鋼筋的作用。鋼束采用Link8 單元，link8 單元與solid95單元之間采用約束方程，將link8 單元節(jié)點與離其最近的solid95 單元節(jié)點進行耦合。0號塊局部分析模型如圖4 所示。

圖4 0號塊實體模型圖

施加荷載時，為將MIDAS CIVIL 中整體模型的內(nèi)力施加在實體模型上，需要在實體模型梁端建立質(zhì)量單元mass21，然后將該單元與梁端截面上各個點之間采用剛臂進行連接，進而在質(zhì)量單元上施加的節(jié)點內(nèi)力就可以轉(zhuǎn)化到梁端截面上。建模時質(zhì)點位于節(jié)段兩端截面的重心處。質(zhì)量單元設(shè)置如圖5所示。

圖5 梁端ma s s 21 單元剛臂圖

2.3 計算參數(shù)選擇

（1）邊界條件

梁底建出支座，支座底約束住平動方向，釋放轉(zhuǎn)動方向的約束。

（2）材料

主梁采用C60 混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用鋼絞線。材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

（3）荷載

鋪裝荷載：按照10 cm 瀝青鋪裝荷載，在梁頂面按照均布荷載施加。

梁端內(nèi)力：讀取MIDAS 整體模型中對應(yīng)該實體模型梁端位置頻遇組合下的內(nèi)力，選取某一工況下彎矩和剪力均較大的內(nèi)力值（見表2）。

表2 梁端內(nèi)力值

車道荷載：對應(yīng)在MIDAS 整體模型中，查看該工況下的車道影響線分布，按照車道的布置形式，將車道荷載轉(zhuǎn)化為均布力施加在梁頂面。

2.4 計算工況

為了分析不同尺寸人孔周邊應(yīng)力的分布情況，按照以下三個工況分析：

工況1：人孔尺寸0.8 m×1.6 m(寬×高)。

工況2：人孔尺寸0.8 m×1.2 m(寬×高)。

工況3：人孔尺寸0.8 m×1.0 m(寬×高)。

3 分析結(jié)果

根據(jù)實體模型，查看3 種工況下中橫梁人孔周邊應(yīng)力分布（見圖6 至圖11）。

圖6 中橫梁中心主拉應(yīng)力云圖（工況一）（單位：MP a）

圖7 中橫梁中心主壓應(yīng)力云圖（工況一）（單位：MP a）

圖8 中橫梁中心處主拉應(yīng)力云圖（工況二）（單位：MP a）

圖9 中橫梁中心處主壓應(yīng)力云圖（工況二）（單位：MP a）

圖10 中橫梁中心處主拉應(yīng)力云圖（工況三）（單位：MP a）

圖11 中橫梁中心處主壓應(yīng)力云圖（工況三）（單位：MP a）

中橫梁應(yīng)力分析結(jié)果對比見表3。

表3 中橫梁人孔周邊應(yīng)力分析結(jié)果對比表

根據(jù)箱梁C60 混凝土標號，全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)頻遇組合下混凝土截面最大拉應(yīng)力容許值為σtp≤0.4 ftk=0.4×2.85=1.14 MPa；最大壓應(yīng)力容許值為σcp≤0.6 fck=0.6×38.5=23.1 MPa。

由上述應(yīng)力云圖及數(shù)值表可知，在成橋運營狀況下：

工況1 時，中橫梁人孔上部約有一半的范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力約1.1 MPa；主壓應(yīng)力分布呈下大上小趨勢，最大主壓應(yīng)力約6.9 MPa。

工況2 時，中橫梁人孔周邊大部分都是壓應(yīng)力，僅局部很小的范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力約0.4 MPa；主壓應(yīng)力分布呈下大上小趨勢，最大主壓應(yīng)力約5.2 MPa。

工況3 時，中橫梁人孔周邊幾乎全部是受壓狀態(tài)，最小壓應(yīng)力約0.5 MPa；主壓應(yīng)力分布呈下大上小趨勢，最大主壓應(yīng)力約5.2 MPa。

4 結(jié) 語

綜上，本文以實際工程為例，采用ANSYS 對0號塊進行實體分析。通過對不同尺寸的人孔進行分析計算，得到了人孔周邊的應(yīng)力分布情況。

計算結(jié)果表明，0號塊中設(shè)置人孔，人孔上緣更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。在人孔寬度不變的情況下，人孔越大，人孔周邊出現(xiàn)拉應(yīng)力的范圍越大；人孔越小，人孔周邊出現(xiàn)壓應(yīng)力的范圍越大。人孔周邊最大壓應(yīng)力主要取決于人孔距離底板的距離，如人孔底距離底板距離不變，人孔周邊最大主壓應(yīng)力值隨人孔高度變化較小。

故在工程設(shè)計時，在需要設(shè)置人孔的情況下，可以適當(dāng)減小人孔尺寸，可以通行檢修即可。較大的人孔尺寸，人孔周邊可能會出現(xiàn)較大和較多范圍的拉應(yīng)力，不利于整個0號塊的受力。