清泥河人行简支梁桥的结构受力分析

陈洪伟　姚宏超　孙留颖

(1.黄河水利水电开发总公司，河南 济源　454681；　2.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州　450000)



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清泥河人行简支梁桥的结构受力分析

陈洪伟1姚宏超2孙留颖2

(1.黄河水利水电开发总公司，河南 济源454681；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州450000)

介绍了有限元软件ANSYS在钢筋混凝土简支梁桥结构中的应用，并采用ANSYS软件，分析评价了清泥河人行桥的设计形式，探讨了各部位混凝土的应力状态，验证其结构形式的合理性。

简支梁桥，结构分析，ANSYS，应力

0　引言

简支梁桥是由一根两端分别支撑在一个活动支座和一个铰支座上的梁作为主要承重结构的梁桥，属静定结构，是梁式桥中应用最早、使用最广泛的一种桥形。其构造简单，架设方便，结构内力不受地基变形、温度改变的影响。

简支桥梁的上部结构包括承重结构和桥面系，它的作用是承受上部荷载，并通过支座将荷载传给墩台。支座支承上部结构并传递荷载于桥梁墩台上，它保证了上部结构在荷载、温度变化作用下所预计的位移功能。

土木工程中的许多力学问题都可视为在给定的边界条件下求解控制方程的问题，控制方程为常微分方程或偏微分方程。虽然根据数学和物理知识可以建立这些力学问题和场问题的基本物理方程和边界条件，但实际问题的形状和边界条件复杂，很难得到其理论解析解。因此，解决此类问题有两种途径，一是引入假设进行简化，二是保留问题的实际情况，采用数值方法进行求其近似解。

本研究主要采用通用的有限元计算软件对桥梁运营期进行三维有限元分析，充分利用了计算机这一高效的计算工具，对桥梁结构进行模型建立、单元划分、荷载及约束施加、求解分析等过程，这将大大提高计算效率和精度。建立桥身—支座—桥墩—桩基—地基的系统有限元模型，研究桥梁结构在运营过程中，随着荷载的变化，桥身的应力及变形的变化情况，为桥梁的设计提供一定的参考依据。

1　工程资料

由于本结构较为复杂，采用分离式等结构建模时结果不易收敛，且整体式建模达到的精度能够符合实际工程要求，这里将采用整体式建模，即将钢筋连续均匀分布于整个单元中，综合了混凝土与钢筋对刚度的贡献，并通过参数设定钢筋分布情况。而对于裂缝的处理方式采用分布裂缝模型的处理方式。桥体总长27 m，每跨9 m。设计桥梁正视图如图1所示，工况如表1所示。材料如表2所示。

2　结构分析

2.1工况一、二

单步道工况下，自重按惯性荷载施加，将重力加速度乘以1.2的分项系数后施加到结构上。根据规范，持久状况承载力极限状态作用效应基本组合中，重力应乘以分项系数1.2，人群荷载应乘以分项系数1.4再乘以组合系数0.8。人载取为3.92 kN/m2。经过计算，并用惯性荷载模拟重力，在桥梁施加向上结构加速度，数值为11.76 m/s2，在左侧步道加均布向下压力，数值为3.92 kN/m2，考虑行车道人载工况加载面积为54 m2，不考虑为10 m2。

表1　泄洪闸计算工况

工况荷载工况一工况二工况三工况四工况五工况六持久状况承载能力极限状态作用效应基本组合持久状况承载能力极限状态作用效应基本组合持久状况承载能力极限状态作用效应基本组合持久状况承载能力极限状态作用效应基本组合承载能力极限状态作用效应偶然组合承载能力极限状态作用效应偶然组合行车道人载√√√√右侧人行道人载√√√√√√左侧人行道人载√√√结构自重荷载√√√√√√地震荷载√√

表2　材料属性

分析根据应力进行三个坐标方向的分析，我们称沿桥梁跨度为x向，重力反方向为y向，桥宽方向为z向。

综合分析可以看出，在人群和自重的长期作用下三个方向变形都比较小，节点位移最大值发生在跨中，数值为0.9 mm。说明在这种基本组合下，桥梁在正常使用年限内不会发生过大损坏，可以正常使用。位移上，与第二种工况相比，虽然加载面积增加了数倍，但位移并没有很大变化，最大位移值从0.9 mm提高到1.2 mm，提高了0.3 mm，说明自重对于变形及位移的影响很大，占到荷载的一半以上。由于桥身转动，加载的半边位移方向主要指向加载区，而未加载半边则同时发生背离加载区方向的位移。

根据简支梁桥的结构受力形式，对其进行结构受力分析时主要按照正截面受弯构件的一般规定进行验算。由于混凝土受拉能力较差，运算中忽略混凝土受拉承载力，认为拉应力全部由钢筋承受。分析时，主要分析混凝土的压应力，并根据配筋情况分析混凝土与钢筋的协同工作情况。

由于结构内部产生了空间应力作用，仅仅分析三个应力分量上的结构情况显然并不足够，因此，这里将按照材料力学强度理论对结构进行验算。应力集中区域分布在支座和边界处，由于本课题主要研究跨中危险截面的结构受力，在支座和边界处应用圣维南原理进行了简化，因此在这些地方会发生应力畸变，但对距这些区域较远处的分析不会产生太大影响。这里，将不提取支座和边界处的应力，而将跨中区域单独提出分析。通过后处理对跨中应力的提取，得到跨中第一主应力最大拉应力为0.73 MPa，小于混凝土的许用拉应力。

混凝土应力最大值位置向跨中移动，在分布上，z向出现最大拉应力值，而y向出现最大压应力值。提取三跨跨中危险处的应力值并作分析，可以得出y向最大压应力出现在支撑处主梁下部，最大压应力值为7.86 MPa，z向由于边界条件和支撑的简化处理，这些区域附近出现了应力突变，因此仅分析距这些区域较远处的应力状态。提取跨中危险截面处的应力值，得到最大拉应力出现在中跨及边跨跨中主梁下部，其值为1.22 MPa，最大压应力为3.74 MPa，出现在跨中次梁上部。

按第一强度理论和莫尔强度理论分别验算，跨中主梁下部拉应力值均为1.24 MPa，第三主应力为0.34 MPa。根据对应变的分析及与前面对比，可以发现施加车道荷载比不施加车道荷载应变最大值发生位置向桥梁中心移动，应变最大值有所增加。

2.2工况三、四

此种荷载组合是相对于y轴对称的荷载，与之相对应的，位移也呈现出相对于y轴对称的特点。加行车道和不加行车道人载的工况中人群荷载加载面积分别为64 m2和20 m2。以y轴为对称轴，位移向两侧对称发展。在y方向上，正向位移达到最小值，负向位移达到最大值。负向位移主要分布加载的两跨。并且在相同z坐标位置位移相等。负向最大位移数值为0.86 mm，不超过规范限制的最大位移值。加上行车道的工况仍是将对桥体施加对称荷载，且将加大加载面积，以便研究桥面布满人群时桥体结构内部应力。

由于加载的对称性，节点位移分布亦呈对称分布。与单侧步道人载相比，最大位移值有少许下降。位移最大值出现在y方向上，位置处于中跨跨中附近，节点位移最大值为1.18 mm，正向位移很小，可以忽略。可以确定桥体不会发生过大y方向变形。y向支撑位置处出现最大拉应力0.72 MPa，最大压应力为6.87 MPa。不超过混凝土极限强度。根据第一强度理论校核，第一主应力中跨中最大拉应力小于混凝土单轴抗拉强度，按莫尔强度理论校核，相当应力为1.31 MPa，小于混凝土单轴抗拉强度。

2.3工况五、六

最后两个工况考虑地震荷载对桥身的影响。

偶然作用为地震作用。考虑基础约束作用，采用底部剪力法计算地震荷载。这里用拟静力法施加地震荷载，将其作为一种惯性荷载施加，在水平方向上施加0.15倍的重力加速度。为了研究最危险情况下的桥身应力，x方向施加的加速度指向加载方向。人载加载面积为64 m2和54 m2。

最大位移值发生在中跨跨中截面，偏向加载一侧，数值为1.25 mm。位移值不超过规范限定的最大允许位移值，结构不会发生过大变形。在z方向上，结构整体位移偏向z向地震荷载方向。由于上部结构的细微转动，两侧人行道处发生异向位移。最大+z方向位移发生在未加载侧，数值为0.14 mm。最大-z方向位移发生在加载侧，数值为0.16 mm。从转角位移分量可以看到，三向转角位移数值都比较小，不会影响整体的稳定性。但会对位移及应力的分配造成一些影响。从应力分量图可以看出，由于地震荷载的加入，三个方向应力分量均有所增加，而其中以水平方向应力分量的增加较为明显。这是由于简支梁桥结构自重很大，因此更容易受到惯性荷载的影响。支座和边界处出现一定应力突变，根据圣维南原理以及一般经验，仅提取跨中危险截面的应力分量数值进行分析。

在y向跨中次梁出现最大压应力值，数值为6.56 MPa，z向最大拉应力出现在中跨跨中主梁下部，最大拉应力数值为1.44 MPa；最大压应力出现在跨中上部，数值为5 MPa。z向应力分量没有超过规范限定的混凝土单轴强度。按第一强度理论和莫尔强度理论分别验算，跨中位置第一主应力的最大拉应力均为1.45 MPa。根据主应力强度理论的验算，结构能够在这种偶然组合效应下正常完成工作。

3　结语

经过一定的简化模拟，有限元数值方法可以较准确地对实际结构进行分析，而不必进行传统的复杂解析解答，大大减少了结构分析的工作量，误差值可以满足工程要求。由于混凝土结构的特殊性，这里需要采用莫尔强度理论验算，又由于结构受力情况较为复杂，这里同时采用第一强度理论进行验证。边界条件以及支撑的处理不完善会在运算结果中边界和支撑附近产生实际机构中没有的过大应力集中，分析时应小心提取这些地方的应力，根据圣维南原理及一般设计经验，取跨中截面作为危险位置，提取主应力值进行验算。

[1]叶见曙.结构设计原理[M].第2版.北京：人民交通出版社，2005.

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

[3]GB 50010—2010，钢筋混凝土结构设计规范[S].

[4]GB 50011—2001，建筑抗震设计细则[S].

[5]JTG/T B02—01—2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

Structure analysis of simply-supported girder pedestrian bridge of Qingni river

Chen Hongwei1Yao Hongchao2Sun Liuying2

(1.TheYellowRiverHydropowerDevelopmentCorporation,Jiyuan454681,China;2.TheYellowRiverSurveyPlanning&DesignCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The thesis introduces the application of finite element software ANSYS in steel reinforced concrete simply-supported girder bridge, analyzes and estimates the pedestrian bridge design pattern of Qingni river by applying ANSYS software, explores concrete stress conditions, and finally testifies the rationality of the structural pattern.

simply-supported girder bridge, structural analysis, ANSYS, stress

1009-6825(2016)23-0157-02

2016-06-09

陈洪伟(1971- )，男，高级工程师；姚宏超(1974- )，男，高级工程师；孙留颖(1989- )，女，在读博士

U441.5

A