矮墩式刚构桥受力行为仿真分析

2017-08-28李英森

黑龙江交通科技 2017年6期

关键词：全桥刚构桥箱梁

李英森

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，贵州贵阳 550000)

矮墩式刚构桥受力行为仿真分析

李英森

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，贵州贵阳 550000)

结合清水江大桥实例，在简述建模方法的基础上，从温度、基础沉降、局部应力三方面对桥梁受力行为进行仿真分析，并验算了结构强度及使用性能，得出本桥可行，存在局部应力，但可采取措施予以有效处理的结论。

矮墩刚构桥；受力行为；仿真分析

1 工程概况

清水江大桥位于为镰刀湾至下司段，大桥跨越清水江，起点桩号KF6+870.922，终点桩号FK7+129.080。桥跨布置为65 m+110 m+65 m预应力混凝土箱梁连续刚构，桥梁全长258.158 m，全桥处于直线段范围，纵坡为1.009%。

2 基于有限元分析的受力行为计算模型

2.1 空间杆系计算模型

在运用梁格法对箱梁结构实施模拟时，假设梁格网格处于上部结构，所有纵向构件均与同方向的腹板保持重合，此种布置形式可直接运用梁格剪力进行表达。桥梁上部结构、承台以及桥台圆孔均运用梁单元进行模拟，而桥台和桩则使用柱单元实施模拟，建模工具选用MIDAS/Civil。

2.2 全桥计算模型

为对桥台和主体的连接区域进行详细的应力分析，并掌握应力的具体分布情况，此次研究选用ANSYS软件创建出了全桥的计算模型。其中，桥梁的上部结构、承台与桩基础等部分通过软件中的solid95单元完成模拟；而地基与桩基外侧的摩擦力则通过软件中的combin14单元完成模拟，等代土弹簧刚度通过相应的动力计算得出，计算公式如下所示

Ks=a×bp×m×z

(1)

式中：a代表土层的实际厚度；bp代表此土层在与模型相互垂直的平面上的宽度；z代表土层的深度。

3 计算结果及评价

3.1 温度影响分析

桥梁直接受到外界环境因素的影响，尤其是温度的变化，昼夜温差、日照时间等都会对桥梁的应力情况造成影响，所以温度影响分析十分重要。由于日照存在一定差异，所以桥梁会因此受到影响，主要表现为产生纵向次应力，与此同时，桥梁的宽度较大，在这种情况下，箱梁也会产生次应力，但方向有所不同，箱梁上的次应力为横向的。在箱梁中，每单位长度的节段即为一个全闭合形式的框架结构，在受到日照作用下，箱梁顶板的温度会明显高于侧板，使得箱梁各面伸长量不同，而且在温度条件下产生的变形还会受到腹板及底板的制约，导致箱梁四壁产生轴力，这对于桥梁的稳定性而言，是较为不利的。以下为本桥梁经历的四种典型工况，分别为：桥梁上部结构温度提升20 ℃；桥梁上部结构温度下降20 ℃；不均匀温升14 ℃以及不均匀温降14 ℃。

主梁在受到温度荷载影响下的弯矩应力如表1所示。

表1 主梁在受到温度荷载影响下的弯矩应力

通过对温度条件的进一步分析得知，温度变化会对桥梁造成较大的影响，在排除其他影响因素的前提下，由温度造成的拉应力最大值可以达到1.05 MPa，虽然未超出设计限度，但为了从根本上防止开裂等问题的发生，还需在顶板处增设钢筋网加固。

3.2 基础沉降影响分析

在超静定闭合结构中，结构自身会由于基础沉降等原因产生一定次内力。特别是在地质条件相对较差的情况下，这一现象将更加明显，必须对此引起足够的重视。此次研究就①号轴出现的沉降，对次内力的产生及变化特点进行分析，该轴对应桩基出现约5 mm的沉降，计算软件选用ANSYS。

由计算结果可知，在基础沉降条件下，顶板及底板应力均保持在-0.8～0.8 MPa范围内，与此同时，上部结构的最大应力通常出现在墩台之间，最大值可以达到1.06 MPa。根据这一特点可断定桥墩与承台之间的衔接是一个十分薄弱的环节。对此，可采取配筋与改造等方式进行处理，也可以对墩底的截面进行加宽，以此消除基础沉降对桥梁造成的不利影响。

3.3 矮墩局部应力影响分析

对于单跨刚构桥而言，其在结构上的主要特点为角藕节点，其通常出现在主梁与立柱的连接位置。此节点需要承受极大的弯矩，确保跨中的正弯矩满足卸载条件。此外，本桥还使用双肢薄壁墩，并在墩上进行等距开孔，这样可能造成应力集中等问题。基于此，以ANSYS为工具进行全桥建模，重点探究恒载条件下的应力变化。

由具体的应力分布情况可知，圆孔周围实际拉应力均保持在0.5 MPa左右，但主梁上的箱形截面顶板和墩身衔接处，拉应力远大于0.5 MPa，为1.26 MPa左右，通过以上分析得知，此部分最大自然应力不会超过0.7 MPa，因此，此处角藕节点受力超限，必须及时采取有效措施，否则将出现开裂等问题，威胁施工安全。

3.4 上部结构强度与性能验算

为对桥梁上部结构强度和性能进行分析验算，需借助有限元分析，根据桥梁的实际情况，创建桥梁结构的空间梁格模型，分别算出主桥不同条件下的内力，以内力与配筋作为基准核算桥梁上部结构强度。当结构处于承载的极限状态时，桥梁抗弯强度、抗剪强度等均符合标准要求，且在相应的状态下，构件裂缝的最大宽度为0.14 mm，基本满足规定。