预制墩线性、非线性比较分析

2016-11-16张树清

城市道桥与防洪 2016年10期

关键词：轴力控制点线性

张树清

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088）

预制墩线性、非线性比较分析

张树清

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088）

采用有限元软件ANSYS建立高强管型预制墩有限元模型，结合上部总体计算情况，对结构逐级加载进行计算分析，分析预制墩应力云图，得到最不利应力点位置，绘制出最不利应力点应力与墩顶荷载曲线图，以指导设计。

预制墩；应力；有限元；计算分析

1　工程概况

高强管型预制墩作为一种新型桥墩结构，具有结构形式新颖、承载力强、工厂化预制和装配化施工等优势，其施工成本降低并且施工质量得以系统性控制。作为一种新型桥墩结构，此前在国内公路建设中尚未有相关研究和应用，目前尚没有统一的设计规范可供参照执行。

某桥全长约14.31 km，采用高速公路标准建设，设计速度120 km/h，双向四车道，全宽26.5 m。引桥采用35 m和40 m钢板组合梁，分别采用预制墩，下接承台桩基础。桥墩采用预制墩，混凝土强度等级为C70，桩基采用PHC管桩。预制墩根据墩高不同，采用不同高度整体预制，并进行现场拼装，在预制墩底和承台间预留杯口式安装岛，墩顶预留钢筋，墩帽采用现场浇筑。预制圆柱墩直径为1.2 m，壁厚为0.25 m。预制墩与承台接头方式为，承台顶设环形杯口结构，高度1m，顶宽0.40 m，内径D=1.2 m，见图1。预制墩底采用梯形剪力纹，并对表面进行拉毛处理，以利于与杯口混凝土的充分咬合，并根据现场试验情况增设剪力孔和剪力筋，保证杯口结构传力的整体性和可靠性。在安装岛底部设直径67 cm的定位墩，高度50 cm，采用C40混凝土浇筑，用于预制墩的安装定位和辅助固定。

图1　预制墩计算示意图（单位：cm）

2　计算模型

2.1有限元

材料非线性问题的处理相对比较简单，不需要重新列出整个问题的表达格式，只要将材料本构关系线性化，就可将线性问题的表达格式推广用于非线性分析。一般说，通过试探和迭代的过程求解一系列线性问题，如果在最后阶段，材料的状态参数被调整得满足材料的非线性本构关系，则最终得到问题的解答。

预制桥墩混凝土采用C70混凝土，弹性模量Ec=3.7×104MPa,泊松比vc=0.2，温度线膨胀系数为0.000 01，轴心抗压强度标准值fck=44.5 MPa、抗拉强度标准值ftk=3.00 MPa，轴心抗压强度设计值fcd=30.5 MPa，抗拉强度设计fck=2.07 MPa[1]，见图2。

图2　C70混凝土应力应变曲线

根据全桥整体计算分析结果，选取整体计算最不利受力工况进行局部分析计算。采用通用有限元软件ANSYS建立塔梁墩固结区的空间仿真计算模型。有限元模型见图3。

图3　预制墩空间分析模型

分析结果与与实际情况必然存在一定的差距，但在模型理想化过程中，保持了结构的基本特性，所以从总体上反映结构受力规律和特点[2]。在有限元分析中，真实的边界条件是很难模拟出来的，只能对其进行一系列假定。边界条件设置的与实际结构的近似程度将直接影响到计算的准确性[3]。在尽量考虑模型边界条件与实际结构近似的同时，对无法准确模拟的边界条件按偏于安全处理。根据全桥整体计算情况，提取有限元模型的位移边界条件和力的边界条应按全桥总体计算得到的内力和位移加在模型上。在承台底约束位移边界，Uxyz三向全部约束。

2.2荷载工况

在局部分析中结合整体计算的工况结果，选取对结构最不利几个工况进行分析，计算出最不利加载工况桥梁结构响应，读取此工况支反力，以此力作为实体模型荷载边界条件[4,5]。荷载工况选取，最大轴力F=6 000 kN；最大剪力F=600 kN。轴力、弯矩均分10级加载，轴力由0kN每级加载600 kN直至6 000 kN，剪力由0 kN每级加载60 kN直至600 kN。荷载分级数据见表1。

表1　荷载分级加载数值

3　结果分析

对预制墩进行有限元分析，得到控制点E、F在所选取最工况下应力分布，采用时程数据处理技术，绘制出应力随荷载变化关系曲线见图4～图7，并列出应力变化区间见表2。

图4　控制点E点轴力F与应力SX曲线

图5　控制点E点轴力F与应力SY曲线

图6　控制点F点轴力F与应力SX曲线

图7　控制点F点轴力F与应力SY曲线

从图4～图7和表2，可以看出：

（1）线性计算在线弹性范围内，预制墩应力随荷载增加而均匀增加，应力呈线性变化—直线变化；非线性计算在材料非线性性范围内，预制墩应力随荷载增加，呈非线性变化—曲线变化；

（2）控制点E点（受拉侧）最大正应力SX：非线性计算应力0.552MPa，线性计算应力0.497 MPa；

（3）控制点E点（受拉侧）最大正应力SY：非线性计算应力1.247MPa，线性计算应力0.833 MPa；

（4）控制点F点（受拉侧）最大正应力SX：非线性计算应力-4.168MPa，线性计算应力-5.631 MPa；

（5）控制点F点（受拉侧）最大正应力SY：非线性计算应力-19.560 MPa，线性计算应力-22.486 MPa。

考虑材料非线性，计算结果显示结构应力非线性小于线性计算。当荷载加载到第10级时，预制墩应力达到最大，预制墩采用C70混凝土，局部最大应力在规范允许范围内。

4　结　语

预制墩三维空间分析能直观的了解该构件应力分布情况，通过观察应力云图，找出最不利应力点，绘制出应力随荷载变化曲线。对直径1.2 m预制墩进行线性、非线性计算比较，预制墩在荷载作用下应力满足规范要求，承载力强度符合设计要求。线性计算应力较非线性计算应力偏大，设计计算偏于安全。计算中材料非线性是理想情况的应力应变曲线，考虑施工中不确定因素，墩柱会存在一些缺陷，计算采用线性计算偏安全处理是合适的。

[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]颜全胜,孔嘉慧,韩大建.金沙洲大桥主桥墩空间应力分析[J].昆明理工大学学报（理工版）,2003,28(6):113-116.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[4]曹忠强.异型矮塔斜拉桥塔墩梁固结部位应力分析[J].交通科技,2010(3):13-17.

[5]黎耀,郑凯峰,陈力波.大跨矮塔斜拉桥塔墩梁固结部位应力计算分析[J].广东公路交通,2007(3):14-17.