连续刚构桥零号块空间应力仿真分析

文 明

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州院,郑州 450052)

连续刚构桥零号块空间应力仿真分析

文 明

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州院,郑州 450052)

以某座连续刚构桥为例,结合非线性及细部分析软件MIDAS FEA,对0号块施工阶段及运营阶段最不利荷载组合工况下的空间应力进行仿真分析,得出零号块的三向应力结果及分布规律。结果表明,在横隔板人孔区域出现一定的拉应力,可采取钢筋加强、加强与顶底板的连接等措施来改善应力分布。顶板横向预应力在顶板与横隔板衔接处有预应力效应损失现象,可采用横向预应力钢束加密布置来处理。构件其余部位均满足规范设计要求。

连续刚构桥;零号块;应力分析

1 工程概况

本桥为(51+95+51)m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁桥。上部结构箱梁顶宽11 m,底宽5.5 m,单箱单室截面。横向为2%双面坡,采用顶板变厚设置横坡。箱梁根部梁高6 m,跨中梁高2.4 m。箱梁梁高变化采用1.8次抛物线。箱梁采用三向预应力结构。0号块对应桥墩位置设置中横隔板,横隔板中设置过人孔。下部结构主墩采用双肢薄壁墩,墩体截面为5.5 m(横向)×1.4 m(纵向)的实心截面,双肢墩中心距5 m。桥墩横向与梁底等宽。

箱梁采用C50混凝土,桥墩墩顶以下5 m采用C50混凝土,余混凝土段采用C40混凝土。纵横向预应力采用高强度低松弛φs15.2 mm钢绞线,竖向预应力钢筋采用JL32精轧螺纹钢筋(标准强度fpk=930 MPa)。

桥面荷载为双向两车道公路-I级荷载,桥面铺装荷载79.2 kN/m。整体升温25℃、整体降温20℃,顶板梯度温度同时考虑正负效应。与汽车荷载同时作用风荷载,桥面处风速取25 m/s;其余荷载组合设计风速取34.7 m/s。0号块标准截面如图1所示。

2 模型及荷载

利用非线性及细部分析软件MIDAS FEA建立空间实体单元模型。0号块的应力状态与整个结构的各个部分都是相互关联的。依据圣维南原理,0号块的应力分布只与其附近区域的应力状态有关;而远离0号块的区域应力状态对0号块的应力分布影响很小且可以忽略不计[1-4]。本次分析将箱梁0号块邻近的1号块、2号块及5 m长主墩作为研究对象,将梁单元进行整体计算,所得内力作为局部切开处的外力边界条件的方式加载,解决求解桥梁局部应力状况。

图1 0号块断面(单位:cm)

混凝土和预应力钢束分别用实体单元和钢筋单元模拟,建立计算模型如图2所示。模型中考虑了预应力的张拉控制应力、摩阻损失、预应力松弛损失及锚具变形影响,预应力布置图如图3所示。

图2 0号块计算模型

图3 三向预应力布置

计算模型的单元采用自动实体网格,计算模型单元划分为56 827个单元,30 624个节点。模型边界条件在墩底采用弹性约束处理。

0号块局部所受的荷载包括结构自重、桥面铺装恒载、预应力荷载、汽车荷载及其他结构部分对0号块的作用力[5-12]。结构自重及恒载可直接加载。预应力荷载需从空间杆系模型计算结果中提取各钢束在收缩徐变完成后至成桥状态的有效预应力荷载来加载。汽车荷载可在MIDAS CIVIL空间有限元分析软件中采用移动荷载追踪器,显示0号块发生最大弯矩、最大剪力时移动荷载及车道的位置,并简化为面荷载施加在顶板上。

计算桥梁结构整体模型时,采用梁单元模拟桥梁纵向结构,0号块两侧内力作用点为梁单元截面质心处。其他结构部分对0号块的作用力可从整体计算结果中提取,并等效作用在实体网格端截面的质心上。从整体计算中提取的梁截面处内力,为程序中单元坐标系的内力,与整体坐标系存在夹角。在0号块的端截面节点施加荷载时,需把荷载数值从单元坐标系换算成整体坐标系。取以下4种荷载工况考虑。

施工阶段荷载组合:

组合一 施工阶段最大悬臂状态下的荷载内力值,取一侧合龙段已浇筑混凝土,另一侧未浇筑混凝土的不平衡状态,同时考虑横向风载作用。

主拉、主压应力荷载组合:

组合二 使用阶段最不利弯矩效应组合内力值。

组合三 使用阶段最不利剪力效应组合内力值。

正应力荷载组合:

组合四 考虑0.8倍的预应力效应折减后,使用阶段最不利弯矩效应组合内力值。

作用荷载值如表1所示。

表1 作用荷载取值

3 计算结果

受篇幅限制,本文仅给出施工阶段最大悬臂状态应力分布云图。为清晰显示0号块内部应力分布情况,模型采用纵向剖切面显示。如图4所示(图中应力值受拉为正,受压为负)。

图4 施工阶段最大悬臂状态应力云图

在三向正应力中,纵向应力是主要应力。横向应力受桥墩与横隔板嵌固作用影响,在横隔板处出现应力分布突变,应力结果不容忽视。竖向应力因其值较小,本篇不作论述。各工况下0号块应力分布计算结果如表2所示(表格中应力值受拉为负,受压为正)。

表2 各工况下应力计算结果MPa

4 结论及建议

从实体模型分析结果中可以看出,因0号块两侧等效内力加载方式的影响,梁端存在局部应力集中;预应力锚固区因未模拟锚垫板,锚固端存在应力集中区;加腋处模型因存在空间棱角,网格划分时存在极小面,结果显示存在局部应力集中区域。以上因素均未对关注区域的结果产生实质性的影响,故可忽略不计。除此之外,0号块各部件应力分布均匀,顺桥向、横桥向拉应力均较小。可得出以下结论。

(1)0号块除横隔板外,顺桥向正应力均未出现拉应力,符合规范中全预应力混凝土构件抗裂要求。横隔板因设置过人孔,且嵌固体系刚度较大,人孔周边均出现不大于0.25 MPa的拉应力,且拉应力围绕过人孔均匀分布,分布区域约为横隔板实体区域的1/2。可采用加强过人孔周边的普通钢筋布置,加强横隔板与梁顶、底板的连接处理,可有效改善横隔板的应力分布。

(2)横桥向预应力因顶板设置横向预应力钢束,未出现拉应力。由于0号块横隔板处顶板属于四边嵌固体系,桥面板横向预应力效应有显著损失。将横隔板附近横向预应力束加密,减弱横隔板对顶板的影响[6]。加密之后,顶板区域正应力分布均匀,受力状态良好。腹板横向正应力普遍出现0.19 MPa的拉应力,腹板内应考虑普通钢筋的约束影响,除设置闭合箍筋外,还应设置适当的分布钢筋,分布可能出现的裂缝。

(3)使用阶段组合工况下,主拉应力除横隔板与底板、顶板、腹板衔接处有局部应力集中外,应力分布均匀。最大主拉应力0.45 MPa,小于0.4倍混凝土轴心抗拉强度标准值即1.06 MPa,满足规范抗裂验算要求;最大主压应力12.38 MPa,小于0.6倍混凝土轴心抗压强度值即19.44 MPa,满足规范持久状况应力计算要求。施工阶段最大主拉应力0.92 MPa、最大主压应力12.3 MPa,均满足施工阶段预应力混凝土构件应力计算要求。

连续刚构桥0号块受多向约束效应影响,空间受力情况复杂,需在设计中引起足够的重视。另外,在0号块浇筑过程中,因横隔板体积较大,内外温差效应可能导致混凝土出现早期裂缝;受混凝土水化热温差效应及收缩徐变影响,约束处可能产生较大的拉应力;普通钢筋对混凝土的约束效应分析等方面,还需作进一步的分析研究。

[1] 范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 王新敏,王秀伟.某连续刚构桥施工阶段开裂原因的空间分析[J].铁道标准设计,2001(4):22-23.

[3] 杨昀,周列茅,周勇军.弯桥与高墩[M].北京:人民交通出版社,2011.

[4] 葛素娟,李静斌.预应力混凝土连续刚构桥0号块空间分析[J].郑州大学学报:工学版,2006,27(3):1-5.

[5] 桥梁工程软件midas civil应用工程实例[M].北京:人民交通出版社,2011.

[6] 张继尧,王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,2011.

[7] 谢肖礼,彭文立,秦荣.圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用[J].中国公路学报,2001,14(2):33-35.

[8] 唐综富,杨昀,刘军.弯连续刚构箱梁桥0号块的空间应力分析[J].山西建筑,2007,33(33):312-31.

[9] 戴公连,李建德.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:人民交通出版社,2001.

[10]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS CIVIL 2010分析设计原理[M].北京:北京迈达斯技术有限公司,2010.

[11]钟明全,廖小文,杨昀.大跨径宽箱连续刚构桥空间静力特性仿真分析[C]∥中国公路学会桥梁工程学会学术讨论会论文集,2006.

[12]于高志,郭锐,张国辉.龙华松花江特大桥0号块横隔板受力分析[J].东北林业大学学报,2008,36(4):54-55.

Simulation Analysis on Spatial Stress of Zero Block of Continuous Rigid-frame Bridge

WEN Ming
(Zhengzhou Design Institute,China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450052,China)

A continuous rigid-frame bridge was cited as an example in this paper.Then by using nonlinear and detail analysis software MIDAS FEA,a simulation analysis was carried out for the spatial stress of zero block under the most unfavorable load combinations in both construction phase and operation phase.Afterwards,the three-dimensional stress data and its distribution rules were obtained.The results show that,a certain tensile stress occurs at the manhole of the transverse diaphragm,which can be settled by adding the steel re-bar and by strengthening the joint between top slab and bottom slab,or by other relevant measures.Moreover,the phenomenon of prestress loss occurs at the place where the top slab connects with the bottom slab,which can be solved by densifying the transverse prestressed steel tendons.The rest of the member can all meet the requirements stipulated in design code.

continuous rigid-frame bridge;zero block;stress analysis

U441+.5

A

1004-2954(2013)03-0077-03

2012-06-27;

2012-10-24

文 明(1982—),男,工程师,2004年毕业于武汉理工大学土木工程专业,工学学士,E-mail:wm145@126.com。