基于ANSYS的简支T梁桥桥面连续结构的空间仿真分析

2015-03-16凌青松

铁道勘察 2015年4期

关键词：温降活载简支

凌青松

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京　102600)

The Space Simulation Analysis of Simply-Supported T Beam Bridge with Continuous Slab-Deck Structure Based on ANSYS

LING Qingsong

基于ANSYS的简支T梁桥桥面连续结构的空间仿真分析

凌青松

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)

The Space Simulation Analysis of Simply-Supported T Beam Bridge with Continuous Slab-Deck Structure Based on ANSYS

LING Qingsong

摘要根据有限元理论，借助ANSYS大型有限元软件模拟简支T梁桥梁端桥面连续结构在不同荷载工况作用下的应力状况，通过参数的敏感性分析研究影响桥面连续端受力的因素并提出相关的改善措施。

关键词简支T梁桥桥面连续应力分析ANSYS

桥面连续简支梁桥具有简支梁桥的力学特性，又能为车辆提供连续的行车道，发挥了连续梁桥的优越性，在国内外中、小跨径梁桥中都得到了广泛的应用。但因桥面连续结构位于简支梁主梁变形的最大部位，以及因橡胶支座弹性压缩不同步引起相邻桥孔的错动变形，导致桥面连续缝结构的受力复杂，梁端桥面连续构造的铺装层在远没有达到设计使用寿命时就产生了早期破坏，影响到桥梁结构本身的使用寿命。以某桥面连续简支T梁桥为例，将简支T梁实桥原型截面按照一定的相似比缩放得到计算模型，借助ANSYS大型有限元软件进行建模仿真计算，分别研究简支T梁桥梁端桥面连续构造在不同荷载工况下的应力状况及影响因素。

1工程背景简况

以某梁式桥加固改造工程为研究背景，该桥是一座6×16 m T形公路简支梁桥，桥面宽度为2×4.5 m，桥跨横断面由7片T形梁组成，T梁横向中距1.6 m，T梁截面宽1.6 m，高1.3 m，腹板厚为30～18 cm。该桥设计为标准16 m钢筋混凝土简支T梁，桥面连续结构，全桥采用三跨一联，共两联。本桥设计荷载等级为公路Ⅰ级，温度变化为±20 ℃。主梁及桥面铺装均采用C40强度等级混凝土。为了缩减ANSYS程序分析计算时间，将实桥原型单片T梁截面按1∶2.5比尺缩放，长度方向取1.2 m。模型及支座示意如图1。

图1　两跨单片T梁模型及支座设置示意

2单元和材料的选择及模型的建立

T梁整体采用Solid45混凝土实体单元，但在桥面连续缝处取1 m长的加强区段(包括桥面铺装层)采用Solid65钢筋混凝土实体单元，钢筋采用Link8杆单元，网格划分方式采用六面体映射网格，通过lesize、esize命令对模型的单元尺寸进行控制，得到符合要求的有限元模型。建模所用的材料属性见表1。

表1　建模所用的材料属性

3各荷载工况及影响因素下的仿真计算分析

对不同的荷载工况和影响因素分别进行线性和非线性分析。荷载主要考虑汽车活载、整体温降20 ℃、整体温升20 ℃三个单项荷载及其组合工况。最不利状况是将以上单项荷载工况进行组合，其中各单项荷载的荷载效应分项系数均取1。桥面连续结构受力影响因素主要有：(1)桥面铺装层的厚度；(2)桥面铺装层的弹性模量；(3)环境温度变化；(4)各种梁型结构(箱梁、T梁、板梁)。以下只讨论T梁。

3.1　各荷载工况对结构受力的影响分析

(1)温度变化

通过简支T梁桥梁端桥面连续结构在温降20 ℃工况计算可知，温降情况下，其结构变形处于近似对称状态。通过梁端桥面连续顺桥向应力SZ数据可知，最大拉应力为0.359 MPa，通过最大压应力为-0.474 MPa。简支T梁桥梁端桥面连续结构在温升20 ℃工况计算可知，在升温的工况下，梁体向上拱起。从计算结果可以发现，其桥面连续端由于梁体上拱产生压应力，桥面连续端所受的应力全为压应力，其最大压应力为4.092 MPa，最小压应力为1.695 MPa。钢筋混凝土结构具有很好的抗压性能，但其在发生破坏的时候一般都是由于承受了过大的拉应力作用。所以，在温升20 ℃工况对桥面连续结构所产生的破坏作用不大，可以不用考虑，在后面的影响因素分析中不考虑升温工况对结构的影响。

(2)汽车活载

通过对简支T梁桥梁端桥面连续结构最不利荷载位置进行汽车活载的时程加载，对结构模型进行非线性计算。通过外荷载的施加可以看出，其桥面连续段处均受拉应力，简支T梁桥梁端桥面连续结构发生破坏一般都是受到拉应力作用，混凝土具有良好的抗压性能。经过计算，其桥面连续端的应力均为拉应力，其最大拉应力为1.138 MPa，最小拉应力为0.880 MPa。

(3)组合工况

结构在实际运营中，不会只是受到某一独立的荷载工况的作用，都会是在多种荷载工况组合下工作，如：温度变化+汽车活载、收缩徐变+汽车活载、汽车制动+汽车活载、还有温度变化+汽车活载+收缩徐变等，诸如此类的荷载组合还有很多。在实际的研究分析中很难去分析收缩徐变在汽车荷载作用的同时对结构的作用，分析较多的还是温度与荷载的组合作用。本文中主要研究简支T梁桥梁端桥面连续结构在汽车活载+温度变化(升、降温)组合工况下的受力分析。

在温降20 ℃+活载最不利加载工况中，桥面连续端所受应力波动较大且其产生较大的拉应力；而在温升20 ℃+活载最不利加载工况中，桥面连续端所受的应力波动较小且其数据曲线大部分都在前者之下且其所受的应力全为压应力。以上比较图更说明温降20 ℃+活载最不利加载工况在组合工况中更为不利。

(4)结构线性分析与非线性分析比较

桥面连续结构在实际工程中基于线弹性的理论分析未能真实反映砼的实际受力特征，因此，需要进一步作非线性分析，即考虑材料的非线性行为。笔者通过ANSYS有限元软件对桥面连续端的受力进行了线性与非线性的计算并将其结果进行比较，计算结果如表2所示。

表2　结构线性与非线性分析结果比较　MPa

从表2中的数据可以明显看出，线性分析结果与非线性结果存在较大的区别，在温降20 ℃与温升20 ℃+活载最不利加载的工况中，分析结果差异表现得更明显。出现此情况是由于在结构的分析中随着受力的进行，结构发生了变形以及裂缝甚至开裂等情况，使结构的刚度下降，从而使其结构在荷载作用下的非线性计算比线性计算的应力结果要小。实际工程中，若是只是做一个初步计算，可以利用线性计算得出大致的受力情况，但在对计算精度有较高要求的情况下，则需要利用非线性分析。

梁端桥面连续结构位于主梁体变形的最大部位，梁端桥面连续结构在使用中主要受到动载疲劳与温度变化应力的影响，使其砼容易被拉裂，进而易导致桥面连续结构出现早期破坏，严重影响到桥梁结构的使用寿命。

3.2　各影响因素对桥面连续端受力的影响

桥面铺装层主要参数包括铺装层的厚度与铺装层材料的弹性模量，主要考虑这两个参数的变化，针对桥面铺装的材料(混凝土等级)、桥面铺装的厚度、桥面铺装在汽车活载最不利加载工况下桥面连续缝处铺装层应力进行线性和非线性计算并作比较分析。

(1)不同弹性模量桥面铺装的桥面连续端应力分析

分别对C35、C40、C45等级混凝土的桥面铺装结构进行计算分析。

计算结果表明，桥面铺装层弹性模量的改变对铺装层的受力影响很大。随着铺装层弹性模量的增大，与梁体顶板组成的复合结构中所占的刚度越来越大，使得桥面铺装在复合结构中承受更多的荷载分布。随着桥面铺装层弹性模量的增大，桥面连续铺装层最大应力也呈线性增长趋势。在实际的设计中不可能取无限小弹性模量的铺装层，因为结构设计还需要满足自身的抗弯、抗扭等要求，而是在设计规范的相关规定下取较小值来做设计。建议在桥面连续铺装时，采用弹性模量较低的沥青混凝土或低弹性模量的改性环氧砼，并且应采用特殊结构来加强铺装层的强度。

(2)不同铺装厚度桥面连续端的应力分析

对实桥T梁原型的桥面铺装设计成不同厚度(8～14 cm)，这里对应计算模型梁的铺装厚度取3.5 cm、4 cm、4.8 cm、5.6 cm四种情况。

通过计算分析可知，随着桥面铺装厚度的增大，桥面连续端的整体应力变化不大，明确显示出随着桥面铺装厚度的增大，桥面连续端的顺桥向最大拉应力最大值在减小，这主要是因为随着桥面铺装厚度的增大，其在与顶板形成的复合结构中所占的刚度越来越大，使得桥面铺装的最大拉应变越来越小，从而使其拉应力减小。在实际设计中，随着桥面铺装厚度的增大，其自身的重量也必然增加，从而增大了桥梁本身的负荷，所以桥面铺装厚度的设计应在满足相关设计规范的规定下取较大值。

4结论

(1)简支T型梁桥面连续结构在单一荷载作用工况中，温降20 ℃时桥面连续端产生拉应力作用，对结构有一定的累积损伤作用；而在温升20℃时桥面连续端产生压应力作用，对结构没有破坏作用；汽车活载的最不利加载工况产生较大的拉应力作用，对结构的破坏起主要的作用。

(2)在温升、温降与汽车活载加载的组合工况中，对桥面连续端产生的拉应力较之最不利活载都会有一定的减小。且相对来说，温降20℃+汽车活载加载产生了较不利的作用。

(3)在通过应力对桥面铺装参数的敏感性分析中，桥面连续端的顺桥向拉应力随弹性模量的增大而增大，随着桥面铺装厚度的增大而减小。建议在桥面连续铺装时，采用弹性模量较低的沥青混凝土或低弹性模量的改性环氧砼，并且应采用特殊结构来加强铺装层的强度，桥面铺装厚度的设计应在满足相关设计规范的规定下取较大值。

(4)在对有限元模型线性分析与非线性分析结果的比较中，桥面连续端所受到的应力最大值存在较大的差异。在工程中若对该结构做个大概的受力估算可以通过简单的线性分析来实现，要想得到较精确的受力情况还需要通过非线性分析来实现。

参考文献

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