特大跨度连续梁桥箱梁偏位的有限元数值模拟

2012-09-15余天庆周小亮

湖北工业大学学报 2012年2期

余天庆，周小亮，寇越，余愿

（1湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068；2中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安710021；3桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541000）

1 工程概况

某特大桥全长221.5m，主桥上部构造为三跨一联单箱单室预应力混凝土变截面箱型连续梁，桥孔布置为60m＋100m＋60m.边主跨比为0.6，箱梁支点梁高7m，箱梁跨中梁高4m，箱梁底下缘按圆曲线变化，圆曲线半径R＝309.7m，箱梁底宽6.0m，在中支座处4m范围内加宽到7.2m.梁体为单箱单室、变高度、变截面结构.大桥采用挂篮悬臂现浇法分段对称、独立施工.

图1 某特大桥立面图

在大桥1号墩的3号箱梁段施工过程中，发生了边跨向下游4.5cm，中跨向上游2cm的偏位.为了评估发生的偏位对桥梁结构安全的影响，有必要对桥梁结构应力状态进行数值模拟.模拟分析采用基于有限元理论的数值计算方法，通过计算机数值模拟得出发生偏位与不发生偏位（两个模型）两种受力状态下危险截面正应力、主应力分布的变化以及变化值.模拟分析中采用的计算参数主要根据设计图纸文件、相关设计规范.

2 相关弹性常数的确定以及单元类型的选择

根据中华人民共和国行业标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62－2004），钢绞线的弹性模量E1＝195×103MPa、Poisson比为μ1＝0.3、密度ρ1＝7 850kg／m3；对于箱梁所用C55混凝土，取弹性模量E2＝3 550MPa、Poisson比为μ2＝0.2、密度ρ2＝2 551kg／m3［1］.

本系统的结构部分主要钢筋混凝土和钢铰线组成.在ANSYS中采用了Solid45单元来模拟钢筋混凝土，这种单元由8个节点定义，每个节点有3个自由度：分别为节点坐标系x、y、z方向的平动.钢铰线单元选用Link8单元，这种单元由2个节点定义，每个节点有3个自由度，分别为节点坐标系x、y、z方向的平动.为了避免不合理的单元形状所导致的分析结果失准，首先确保了单元形状的规则性，采取了映射网格，并且应尽量生成不过分畸形的单元（不产生过分尖的锐角或过分大的钝角）.这样在综合考虑单元数量，节点数量（硬件的限制）和单元形状的同时对结构进行了网格的划分.在有位移相关性的节点之间主要是通过耦合、合并重复项及约束方程的方法来建立它们的关系［2－5］.

3 局部桥体结构的建模与计算结果分析

1号墩及其上部箱梁（9段）结构的有限元模型如图2所示，箱梁结构中的预应力筋如图3所示.整个模型的坐标系统为x轴沿桥纵向指向2号墩，y轴竖直向上，z轴沿桥面横向，坐标原点位于1号墩承台底面中心.

根据初步的纠偏方案，第3号节段发生的偏位将在其后的5个节段均匀地纠正过来，发生偏位状态下的模型正是建立在这一纠偏方案之上的.即模型在第3号节段分别有4.5cm（边跨）和2cm（中跨）的偏移，从4至8号节段将分别向发生偏移的反方向（边跨向上游每节段9mm，中跨向下游每节段4mm）纠偏.另外，为了对危险截面进行对比分析，同时建立了正常施工状态下的模型（未发生偏位）.钢绞线的预应力利用link8单元的初始应变常数加上去，预应力的大小与施工图纸上的张拉控制力相一致.如图4所示，模型重点计算了图中的3个截面（边跨偏移量更大，受力状态更不利），1号截面（受扭最大），2号截面（受扭较大），3号截面（悬臂根部）.

图4 危险截面位置

本模型边跨和中跨各建立了9个节段.每截面都输出了如图5中箱梁内外轮廓线上节点的x方向应力，第一主应力和第三主应力.

图5 危险截面内外轮廓线

4 模型计算结果分析

完全固定1号墩承台底面（边界约束条件），按施工顺序张拉各预应力钢铰线，计算两模型各危险截面的相关应力结果.经比较，最危险截面是1号截面，图6～7示出了两模型1号截面处的x向应力，图8～9示出了两模型1号截面处的第一主应力，图10～11示出了两模型1号截面处的第三主应力的分布图.

如图12最不利截面处，比较两模型内外轮廓线上节点第一主应力，其最大值为σ1＝1.246MPa，发生在箱梁外底部.由于偏移造成箱梁受扭，偏移状态x方向拉应力出现增幅，其最大值出现在最大第一主应力位置附近，最大增幅为0.027 3MPa；比较两模型内外轮廓线上节点第三主应力，其最大值σ3＝－11.631MPa发生在顶板翼缘尖端，同样由于偏移造成箱梁受扭，偏移状态x方向压应力出现增幅，其最大值出现在最大第三主应力位置附近，增幅为1.077MPa.以上分析表明，本文所建立的有限元模型对于实际工程的评估具有较好的精度和计算上的高效性.