基于ANSYS的变截面异形连续梁桥裂缝和挠度验算

张四国 闫 旭

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

基于ANSYS的变截面异形连续梁桥裂缝和挠度验算

张四国 闫 旭

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

基于有限元法的相关知识，利用ANSYS软件对某异形连续梁桥进行了实体有限元建模及静力分析，考虑了恒载、车辆活载和温度荷载等工况，探索了桥梁在单一工况及最不利工况组合下桥面板的应力分布情况，并与规范容许值进行了对比和抗裂验算，结果表明，桥面受力状况良好，部分区域出现宽度为0.08 mm的纵向裂缝，但最大裂缝宽度满足规范要求。

有限元，变截面，连续梁，结构分析

0 引言

公路桥涵的设计要满足技术先进、安全可靠、耐久适用和经济合理等要求[1]，其中安全性是设计的第一原则。安全性要求桥涵在规定的设计使用年限内，在恒载、活载和偶然荷载的各种作用下，结构不破坏、挠度不过大、不发生倾覆滑移等失稳破坏。为保证设计的安全可靠，规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，规定桥涵设计要进行持久状况、短暂状况和偶然状况下的承载能力极限状态和正常使用极限状态验算[2]。本文将按照规范要求对设计中的某异形连续梁桥进行三维建模分析，验算桥面板的纵横向抗裂能力，保证桥梁设计的安全性满足要求。

1 工程背景

如图1所示为设计桥梁的立面外形示意图，桥梁采用变截面T构结构，跨径布置为：40 m(第三边跨)+40 m(第二边跨)+40 m(第一边跨)+90 m+40 m(第一边跨)+40 m(第二边跨)+40 m(第三边跨)，全长330 m，中跨90 m中间设置20 m跨径挂孔以释放温度力。桥梁结构设计基准期为100年，设计使用年限100年，环境类别Ⅱ类，属于滨海环境，桥梁结构设计安全等级为一级，荷载标准为公路—Ⅰ级，桥梁标准横断面布置为：0.3 m栏杆+3 m人行道+3.5 m非机动车道+0.5 m机非分隔带+10.75 m车行道+0.5 m分隔带+10.75 m车行道+0.5 m机非分隔带+3.5 m非机动车道+3 m人行道+0.3 m栏杆，桥梁全宽36.6 m。混凝土强度等级C50，挂孔采用牌号为Q345钢材。

结构验算时考虑的荷载如下：1)结构自重：包括主桥结构重力、钢束重力和二期铺装荷载，重力加速度取9.8 m/s2，沥青铺装折算为2.5 kN/m2均布面荷载，挂孔荷载折算为单个牛腿处292 kN的集中荷载。2)预应力：只考虑纵向钢束，张拉控制应力为1 395 MPa，取预应力损失后的有效应力。3)汽车荷载：根据规范加载车道荷载，不考虑折减和偏载。4)温度荷载：升温按20 ℃考虑，降温按-20 ℃考虑，按照规范考虑竖向梯度温度。

不考虑横向梯度温度、支座沉降和混凝土收缩徐变的影响。

2 有限元建模

将桥梁的三维模型导入到ANSYS中，采用Solid45实体单元模拟主桥混凝土，采用空间只受拉杆Link10单元模拟预应力钢束[3,4]，混凝土实体单元和预应力杆单元之间通过耦合自由度传力，如图2所示为桥梁钢束有限元模型，全桥共划分30万个节点，80万个单元。

对模型进行静力分析后，提取最不利关键截面和节点纵横向应力，与规范中的容许值进行比较，判断桥梁是否满足规范抗裂要求。规范中对不允许出现裂缝的A类构件在荷载短期效应组合下满足σs≤0.7ftk，在荷载长期效应组合下满足σl≤0，其中σs和σl分别为短期效应组合和长期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力，本文ftk=2.65。规范中对普通钢筋混凝土构件规定在荷载短期效应组合并考虑长期效应影响的最大裂缝宽度不超过0.2 mm。

3 单一工况计算结果

3.1 恒载下计算结果

如图3,图4所示为恒载(自重+预应力)作用下桥梁的纵横向应力云图，图中显示，桥面板纵桥向均为受压状态，压应力较小的区域位于③号墩位线附近，约为-1.2 MPa；横桥向拉应力最大的区域位于②号墩位线附近，大小为5.6 MPa。

3.2 温度荷载下的计算结果

如图5，图6所示为整体升温20 ℃作用下桥梁的纵横向拉应力云图，纵横向最大拉应力均位于③号墩位线附近，大小均为0.4 MPa。

如图7,图8所示为整体降温20 ℃作用下桥梁的纵横向拉应力云图，纵向拉应力最大的区域位于③号墩位线附近，大小为0.57 MPa；横向拉应力最大的区域位于④号墩位线附近，大小为0.45 MPa。

如图9,图10所示为梯度温度作用下桥梁的纵横向应力云图，图中显示，桥面板纵横桥向均为受压状态，无拉应力。

3.3 车辆荷载下的计算结果

由以上分析可知，桥梁最危险的截面为③号墩位线所在截面，将车辆荷载作用在该处时，组合效应最不利，如图11，图12所示为车辆荷载作用下桥梁的纵横向应力云图，最大纵向拉应力为2.2 MPa，最大横向拉应力为1.35 MPa。

4 不利工况组合计算结果

选取车辆荷载作用截面与桥面中心线的交点为抗裂验算点，该点在不同荷载工况下的应力和最不利组合应力结果如表1所示(正值为拉力)。

表1 不同工况下验算截面处的纵横向应力 MPa

表1中显示，纵桥向在长期效应最不利组合下的应力为-2.55 MPa<0，不出现拉应力，在短期效应最不利组合下的应力-1.89 MPa<0.7×2.65=1.855 MPa，符合A类构件抗裂要求。桥面板未配置横向预应力钢束，需按照普通钢筋混凝土构件计算最大裂缝宽度。取单位宽度的验算截面，求得各工况下的横向弯矩和横向轴力[5]如表2所示。

表2 不同工况下验算截面处的弯矩和轴力

根据规范公式计算，横向裂缝宽度为0.08 mm，小于规范规定的0.2 mm，符合规范对裂缝控制的要求。

5 结语

本文利用ANSYS软件建立了某变截面异形连续梁桥的三维实体有限元模型，在不同的荷载工况下进行了静力计算，结果表明：该桥的纵向抗裂性能良好，不会出现横向裂缝，符合规范中对A类预应力构件的抗裂要求；桥面板会出现0.08 mm的纵向裂缝，施工中建议在桥面板内增设钢纤维，并做好防水措施。

[1] JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2] JTG D60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[3] 张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4] 郝文化.Ansys土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[5] 叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2003.

Calculation of crack and deflection of the variable cross-section continuous girder bridge based on ANSYS

Zhang Siguo Yan Xu

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)

Based on the knowledge of FEM, 3D Solid model of a special shaped continuous beam bridge was built using ANSYS considering the dead load, vehicle live load and temperature load conditions. Bridge deck stress distribution was explored under single operating condition and the most unfavorable conditions combination. Results were compared with the allowable values. Research shows that the bridge works in good condition and longitudinal cracks, 0.08 mm in width, appeares at some parts of the bridge. The maximum crack width meet the specification requirements.

FEM, cross-section, continuous beam, structural analysis

2015-04-22

张四国(1973- )，男，高级工程师； 闫 旭(1988- )，男，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)19-0151-03

U441

A