某T形连续刚构桥0号块局部应力空间分析

赵志国

(辽宁省交通规划设计院，辽宁沈阳 110166)

1 工程概况

该桥是一座130 m+230 m+130 m的三跨预应力混凝土连续刚构桥，桥梁全长为490 m。桥面全宽20.2 m，桥面横坡为2%。中间主墩为宽12.6 m，高2.7 m双薄壁墩，墩高47 m，桩采用直径2 m钻孔灌注桩群桩基础。

本桥主梁为单箱双室，顶板宽20.2 m，底板宽12.6 m，箱梁边腹板在主墩范围内厚度为1.05 m，跨中梁段腹板厚度为0.45 m，中腹板在主墩范围内厚度为0.6 m，跨中梁段腹板厚度为0.45 m。箱梁根部梁高为14.8 m，跨中合龙段以及边跨直线段梁高4.35 m，从箱梁根部到跨中段按1.75次抛物线变化。箱梁顶板除0号块厚0.8 m，其余厚为0.4 m，箱梁底板厚度除0号块厚2.2 m，其余箱梁底板厚度从根部截面2.2 m按1.75次抛物线变化到跨中截面0.38 m，薄壁墩墩顶设两道横隔板，厚0.6 m，两道横隔板间距为1.4 m，横隔板中设人洞。

本桥主梁上部结构采用C60混凝土，主墩墩身为C50混凝土。纵向预应力采用φs15.2钢绞线，分悬臂顶板束、腹板弯起束、边中跨合龙连续束及现浇段弯起束四类，锚具采用群锚体系。竖向预应力束采用JL32精轧螺纹钢筋，JLM螺母锚具，横向预应力纵向预应力采用φs15.2钢绞线。纵向预应力束除边跨顶板连续束采用单端张拉外，其余均采用两端张拉。

本桥设计荷载为公路—Ⅰ级，人群荷载为3.0 kN/m2，桥面铺装为8 cm沥青混凝土铺装。

2 0号块分析目的和方法

采用悬臂施工的大跨度预应力混凝土连续刚构桥，因其施工技术经济合理，机械化程度高，加快了桥梁施工的进度，提高桥梁跨越能力。墩顶0号块作为整个上部结构悬臂施工的起点与基础，因其结构和受力复杂。施工工序环节多，施工条件变化较多，再加之0号块具有梁体高、管道布置集中、钢筋密集、悬臂高空作业及大方高强混凝土浇筑等因素，使得0号块成为整个预应力混凝土连续钢构的关键部位，由于其特殊的结构形状和边界条件，决定了它的应力是复杂的三维应力状态。梁单元模型已不能准确得到0号块的应力分析结果。根据圣维南原理:0号块应力分布只与其附近区域应力状态有关，而远离0号块区域的应力状态对0号块的影响比较小。所以只需取出0号块，并考虑0号块附近区域的作用，进行空间应力分析即可。本文的主要思路:首先采用Midas Civil有限元软件建立全桥空间杆系模型，即可计算出0号块截面在各种荷载组合下的内力值，将这些内力值转化为空间分析模型上的面荷载和线荷载，然后再用Midas有限元软件建立0号块空间实体模型，即可分析出0号块应力状态。为保证计算结果足够的精细度，0号块空间模型包括0号块本身及与之两侧相邻的1，2号块及部分墩身长度。

3 建立模型

3.1 计算模型

本桥取0号块、与0号块两侧相邻1，2号块及部分桥墩构成的空间实体作为分析对象(见图1)。

图1 所选局部结构示意图

采用Midas有限元软件建立空间有限元模型，计算模型见图2。

3.2 荷载处理

悬浇过程中各阶段的恒载、预加力、收缩徐变和施工荷载作用下，各工况的荷载效应可以按下面的步骤处理:首先采用Midas Civil有限元软件建立的全桥空间杆系模型，提取1，2号块各施工阶段内力值(弯矩、剪力和轴力)，然后根据虚位移原理将截面的弯矩、剪力和轴力等效转化为截面各单元表面的分布面力和线荷载。本次计算主要考虑以下两荷载工况(见表1)，根据以往桥应力测试和设计经验，下面两工况使得主梁受力最不利。

表1 荷载工况定义

根据上面组合，从空间杆系模型中提取1，2号块两端内力值见表2。

表2 1，2号块两端内力值表

将表2中1，2号块内力值等效载到0号块有限元模型，所有连接均按刚性连接处理，并定义荷载工况(见图3)。

图2 计算模型

图3 荷载工况定义

4 计算结果分析

计算完成后，由于篇幅所限，以下仅给出部分正应力、主应力云图(见图4～图7)(正值代表压应力，负值代表拉应力)。

图4 顶板正应力图—工况一

图5 顶板正应力图—工况二

图6 S1剖面主应力云图—工况一

图7 S3剖面主应力云图—工况一

从两个工况计算的0号块应力云图可以得到以下结论:

1)0号块顶板在两工况下应力均匀，应力分布合理，最大纵向压应力出现在0号块端部，由于此处为纵向预应力筋锚固处，引起锚下应力集中，最大值达16.4 MPa。进行预应力和普通钢筋混凝土设计时应引起注意。0号块顶板横向上主要以压应力为主，仅在端部中间位置出现－0.8 MPa拉应力，横向压应力呈现由翼缘边缘向桥中心方向递减分布。顶板除部分预应力锚固点处应力超限外，其他位置正应力和主应力均满足规范要求。

2)0号块腹板在两工况下应力基本均匀，分布基本合理，腹板仅在内侧与横隔板相交区域内，纵向压应力下降速率明显，主要是横隔板削弱部分截面。腹板最大主拉应力出现在腹板与顶板内侧上腋部位，数值为0.84 MPa。在两横隔板之间靠近顶板的腹板内侧区域，由于结构断面变化，导致此处主压应力变化明显，但均未超过规范要求。

3)0号块底板在两工况下应力分布基本合理，上表面纵向最大应力为11.6 MPa，出现在底板与腹板倒角位置，下表面由于墩宽度影响，压应力呈现不规则分布，变化范围1.8 MPa～9.5 MPa，总体趋势墩顶侧数值偏大。底板与横隔板及底板与腹板倒角位置处，由于截面变化均出现不规则的主拉应力，最大值出现在底板与横隔板倒角位置，数值为－3.3 MPa。由于横隔板约束作用，底板附近主拉应力较其他区域小，桥墩范围底板主应力比其他位置小约1/4。

4)0号台横隔板内侧应力分布均匀合理，顶、底和腹板纵向最大正应力均出现在和横隔板关联的位置，最大主拉应力出现在钢束锚固点附近和底板下缘倒角处。外侧由于人洞影响，在横隔板顶面出现横向拉应力，数值为－0.52 MPa。

5 结语

通过对本桥0号块在两工况下各位置应力分析，0号块整体应力与全桥计算基本相符，也证明采用计算结果可靠性较高。在纵向预应力作用下箱梁截面受力均匀，横向、竖向拉应力均满足规范。顶板纵向压应力在1.22 MPa～2.5 MPa之间，S1～S4剖断面应力都小于0.9 MPa，均满足规范要求。主应力计算结果显示，除预应力锚固点、横隔板等局部应力集中位置外，整梁应力分布合理，横隔板最大主压应力出现在横隔板与地板、腹板结合区域，说明横隔板横向预应力对降低横隔板拉应力有较大作用，横隔板应力在人洞附近应力集中明显。以上薄弱位置在普通钢筋计算时应引起足够重视，同时施工过程中，监测单位也应对这些位置重点观测，防止施工中出现破坏影响结构安全。

本桥0号块采用Midas有限元软件建立空间实体模型，建模过程简洁，模型简化处理简单，计算结果合理。

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