某连续刚构桥梁单元静力数值分析

张　立

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)



某连续刚构桥梁单元静力数值分析

张立

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

以某连续钢筋混凝土刚构桥工程为背景，采用MIDAS有限元数值计算软件，对该桥的全体梁单元的静力情况进行分析.分析表明，全桥的内力分布规律及应力分布规律均满足于设计规定要求，并且符合刚构桥受力分布一般规律.研究结果为桥梁设计阶段的桥梁空间受力分析提供了数据支撑和设计依据.

连续刚构桥；主梁；内力；应力；数值分析

钢筋混凝土连续刚构桥由于其具有独特的优势，在近几十年中被广泛应用于公路桥梁的建设中，也因此成为了具有相当竞争力的主要桥型之一[1-3].钢筋混凝土连续刚构桥的主梁一般为变截面箱梁，这种箱梁截面能够承受较大的抗扭能力和正负弯矩，而且自身刚度较大.但由于在桥梁施工和运营维护管理中，存在一些不能完全避免的问题，影响整个桥梁的结构的全寿命周期[4-7].

因此，在设计和施工阶段需要对连续刚构桥的受力设计计算开展研究.通常我国采用平面杆系计算方法对混凝土连续刚构桥进行设计计算，同时结合有限元数值计算方法对梁单元进行受力模拟分析[8,9].其结果能够直观有效地看出刚构桥在施工阶段及运营阶段的受力情况，并且能够准确地模拟各种不利荷载组合下，全桥梁体单元的受力性能，为设计及施工提供有力的基础依据.

本文以某连续钢筋混凝土刚构桥工程为背景，采用MIDAS有限元数值计算软件，对该桥的全体梁单元的静力情况进行分析，为桥梁的设计阶段的桥梁空间受力分析提供了数据支撑和设计依据.

1　工程背景

1.1工程简介

本文结合某公路大跨度钢筋混凝土变截面连续刚构桥设计工程，大桥的平面布置如图1所示.桥梁结构类型为55m+2×100m+55m的钢筋混凝连续刚构桥，桥面净宽为33.5m(包含两侧防护栏共1.0m，两侧行车道共30.5m，中央分隔带2.0m)，设计车速为100km/h，车辆荷载等级标准采用公路-Ⅰ级.

桥梁主梁截面形式采用变截面单箱单室箱梁形式，梁高的变化随抛物线变化，0号块主梁高度为6.0m，跨中梁高为2.6m，箱梁顶板宽度为16.65m，厚度为0.32m.底板厚度从根部的0.8m按照抛物线变化至跨中截面的0.32m，腹板厚度采用0.55m和0.7m两种形式，桥墩上部范围内的箱梁顶板厚度为0.5m，底板厚度为1.1m，腹板厚度为0.9m.下部结构采用双薄壁空心墩、桩基础.主梁的0号块断面图和一般断面图分别如图2、图3所示，图上单位均为cm.

图1　桥梁平面布置图(单位：m)

图2　0号块断面示意图

图3　一般断面示意图

1.2材料性质

该桥梁的桩基础、底系梁以及引桥承台均采用C25标号混凝土，引桥桥墩、盖梁、耳背墙、主桥承台均采用C30标号混凝土，主桥桥墩墩身采用C40标号混凝土，上部结构箱梁及桥面采用C50标号混凝土.

刚构桥的主桥纵向预应力钢束主要采用22Φs15.20和19Φs15.20型号的钢绞线，对应的锚具分别采用OVM15-22及OVM15-19.钢绞线的张拉控制应力为σcon=1395MPa.主桥横向预应力钢束主要采用3Φs15.20型号的钢绞线，布置间距为50cm，采用BM15-3锚具，进行单端交叉张拉，钢绞线的张拉控制应力为σcon=1395MPa.主桥的竖向预应力钢筋采用JL32高强精轧螺纹钢，进行单端张拉，张拉控制力为560kN.均采用预埋的塑料波纹管作为预应力管道，各型号钢筋及钢板性能均满足规范规定的要求.

2　建立全桥模型

2.1模型建立

MIDAS/Civil有限元软件具有强大的三维仿真计算能力.本文采用空间有限元中的梁单元对连续刚构桥构建模型.桥梁总共包含220个节点，212个单元，主要包括桥墩结构、主梁结构及预应力钢束结构单元.依据单元划分的基本原则，将每一段施工块划为一个独立的单元，同时对0号块及跨中合拢段单元结构进行细化，在关键的截面处进行单元分界线的设置.全桥的有限元三维模型如图4所示.

图4　全桥的有限元三维模型

2.2材料参数设置

桥墩墩身及主梁结构混凝土分别为C40和C50标号混凝土，其主要性能指标如表1所示.此外，混凝土的容重为25.0kN/m3，混凝土的泊松比为0.2，混凝土的线膨胀系数为0.00001℃.

表1　混凝土主要指标参数

刚构桥的主桥纵向预应力钢束主要采用22Φs15.20型号的钢绞线，其主要性能指标如表2所示.

表2　钢绞线的主要指标参数

2.3边界及加载条件

边界条件的设置：为了与实际情况相同，桥墩底部采取各向刚性固定方式，墩身顶部与箱梁连接部位采取弹性连接刚性的方式，桥台部位的主梁下方采取纵向滑移弹性支座方式.

加载条件：该连续刚构桥属于大跨径桥梁，同时主梁断面为变截面单箱单室箱梁，因而在进行桥梁计算分析时，应该重点考虑桥梁自重应力、外荷载以及温度效应的影响.恒载主要为结构自重，按容重计算为325kN/m；二期荷载作用按照局部荷载来布置；主梁部位的横隔板及加劲梁的荷载作用，软件采用等效的集中荷载作用到相应部位.

3　结果分析

3.1荷载组合

施工过程中的荷载主要有恒载、钢束张拉引力引起的荷载、结构超静定引起钢束张拉作用产生附加荷载、收缩与徐变引起的荷载、结构超静定引起钢束收缩与徐变作用的附加荷载、桥梁结构由于温度变化引起的温度效应荷载.

在MIDAS软件中，依据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)要求，可考虑整体降温及温度梯度效应的影响对荷载进行组合.本文采用承载力的极限状态基本组合，来分析桥梁整体的内部应力分布情况；采用正常使用极限状态短期荷载作用组合，来分析桥梁整体应力部分情况.荷载组合情况及相应系数取值见表3.

表3　承载能力极限状态的荷载及系数

表4　正常使用极限状态的荷载组合及系数

注：表4中的活载为不考虑冲击系数的活载，即系数大小为0.6667.

3.2主梁内力分布情况

主梁的正弯矩的最大值位于跨中截面位置，负弯矩的最大值位于桥墩顶面位置，弯矩图整体呈抛物线曲线形状，计算结果符合混凝土连续刚构桥的分布规律.此外，56号预应力混凝土单元的正弯矩最大，大小为2.78×104kN·m，比设计弯矩值小(设计弯矩值为1.82×105kN·m)，73号预应力混凝土单元的负弯矩最大，大小为2.35×105kN·m，小于设计弯矩值(1.16×106kN·m)，均满足于设计要求.

主梁剪应力的最大值位于墩顶截面位置，为4.38×104kN，剪力变化呈线性变化规律，符合刚构桥剪力分布的一般规律.还可看出，剪力分布最不利位置位于墩顶位置，因此，在墩顶0号块位置需要配备足够的抗剪钢筋，从而达到墩顶截面的抗剪强度要求.

3.3主梁应力分布情况

为分析大跨度混凝土连续刚构桥在正常使用极限状态下短期荷载组合效应的应力分布情况，通过有限元软件，得到了全桥主梁上缘正应力及下缘正应力.全桥主梁上缘跨中压应力最大，为-16.5MPa，位于56-57号单元之间.跨中之外的部分压应力相对均匀分布，应力大小在-3.7-16.5MPa范围内.全桥主梁下缘跨中的压应力最小，为-1.4.MPa，位于56-57号单元之间，下缘墩顶位置的的压应力最大，为-16.8MPa，位于74-75号单元之间.上述变化表明，在正常使用极限状态短期荷载组合作用下全桥梁单元没有产生拉应力，应力分布较为均匀且满足规范及设计要求.

4　结论

本文采用MADIS/Civil有限元数值计算软件，结合混凝土连续刚构桥的实际情况，采用合理的材料参数、边界条件、荷载组合情况对桥梁全桥的主梁单元在承载能力极限状态和正常使用极限状态下主梁单元的内力及应力分布进行了分析.全桥单元杆系的计算结果表明，全桥的内力分布规律及应力分布规律均满足于设计规定要求，并且符合刚构桥受力分布一般规律.但是研究结果只是较为简单地考虑了全桥主梁上下缘应力分布情况，没有精细考虑到局部特殊截面(如腹板内预应力锚固点等)的正应力分布.研究结果为该桥的空间受力分析提供了数据支撑，为该桥的设计及施工施工提供了理论支持.

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(责任编校：晴川)

Static Numerical Analysis of a Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Li

(Shanxi Traffic Science Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China)

In this paper, with a continuous reinforced concrete rigid frame bridge project as the background, MIDAS finite element numerical calculation software is used to analyze the static situation of the whole beam element of the bridge. The analysis shows that the internal force distribution and the stress distribution of the whole bridge are satisfied with the design requirements, and conform to the general law of the stress distribution of rigid frame bridge. The research results provide the data support and design basis for the spatial analysis of the bridge in the design stage of the bridge.

continuous rigid frame bridge; main beam; internal force; stress; numerical analysis

2016-03-29

张立(1986— )，男，陕西丹凤人，山西省交通科学研究院工程师.研究方向：道路桥梁工程设计.

U442.5

A

1008-4681(2016)05-0026-03