大跨径曲线连续刚构桥0#块局部应力分析

陈金龙

（湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075）

0 引言

连续刚构桥是工程建设中的一种常用桥型。由于采用了墩梁固结措施，避免了在中墩位置设置大型支座，施工中不用设置临时固结构造，节约工程费用，同时改善了桥梁的受力性能，在公路建设中，尤其在山区公路建设中应用广泛[1]。

曲线连续刚构的0#块空间构造复杂。在该位置有顶板、腹板、底板的厚度变化，还设置有横隔板、过人孔和各种形式的倒角，同时该位置还布置有大量的预应力钢束，且桥梁平面位于曲线上，空间扭矩较大，导致该位置的构造和受力都十分复杂[2][3]。对于此类桥梁一般设计中使用的常规杆系有限元计算方法能够得到结构的整体受力趋势，但由于0#块位置的构造和受力均十分复杂，一般的干系计算方法无法反应其空间应力分布情况。因此，有必要对该位置进行细致的实体空间有限元分析，得出该区域的真是应力分布情况，为设计提供必要的依据。

1 桥梁概况

本文算例为某高速公路一大跨径曲线刚构桥，桥梁跨径布置为（85+150+85）m，两桥墩高度分别为21 m和26 m。桥梁位于道路圆曲线上，曲线半径为850 m，分幅布置。单幅箱梁顶宽12 m，底宽6.5 m，墩顶梁高8.8 m，跨中梁高3.5 m,梁高按二次抛物线变化。图1为桥梁总体布置图，图2为0#块主要尺寸图。

图1 桥梁总体布置图

图2 0#块主要尺寸图

根据对一般结构进行局部应力分析的程序，先采用桥梁专业软件MIDAS Civil建立全桥空间杆系模型。经过全桥整体分析得到桥梁结构在各种荷载工况下的内力分布，再根据圣维南原理选取桥梁0#块及其附近区域结构建立实体有限元模型。将整体计算得到的内力施加于实体有限元模型进行空间分析，得到所关心区域的空间应力分布情况。

2 MIDAS空间杆系有限元模型

为得到实体分析所需施加的荷载，先需对桥梁进行整体空间分析。分析模型按照曲线实际情况布置，采用空间梁单元模拟，模型包含165个节点，158个单元。主墩在墩底位置固结，边墩位置按实际支座布置情况模拟。模型对施工过程进行了模拟（见图3），荷载中自重程序自动计入，二期恒载竖向力按照均布荷载施加并考虑恒载偏心产生的扭矩，预应力荷载按照施工图进行考虑，按规范对收缩、徐变、温度荷载、风荷载、离心力和制动力等荷载进行取值，通过在模型中的实际位置建立车道线实现车道荷载自动加载。

图3 全桥空间杆系有限元模型

3 0#块三维实体有限元模型

0#块的局部应力分析基于ANSYS平台进行，采用SOLID95单元模拟梁段中的混凝土，采用LINK8单元模拟在实体模型中锚固的预应力钢束（见图 4、图 5）。

图4 0#块实体模型

图5 0#块有限元模型

建立实体模型时，为了较好地模拟墩梁固结处边界条件，将承台以上的桥墩部分一并建出。主梁的部分除0#块外还包括了两侧的1#块，以防止施加荷载时的应力集中而引起0#块应力失真，严格按施工图中的尺寸将0#块节段模型中的倒角等细节建出。整个模型共划分为34 560个单元，包含58 478个节点。由于主要为考察0#梁段的应力分布，划分单元时，梁部分尺寸控制在0.5 m以内，墩部分控制在1.5 m以内。

坐标方向：X轴方向：顺桥向；Z轴方向：向上；Y轴方向：桥曲线外侧（内侧向心）。

4 荷载工况及施加方式

经全桥整体梁单元模型计算结果比较，该桥的上部结构基本对称，两个0#块处的内力分布情况也十分接近，本文仅对26 m高墩处0#块进行分析。

通过对整体计算模型结果数据进行比较分析，选取以下最不利的4种荷载工况进行实体分析，其中：

工况1——最大悬臂状态（张拉19#梁段）；

工况2——成桥阶段标准组合轴力最大；

工况3——成桥阶段标准组合弯矩最大；

工况4——成桥阶段标准组合扭矩最大。

预应力荷载中在0#及1#梁段锚固的预应力钢束按照实际钢束线型采用LINK8单元模拟，通过降温实现预应力效应的模拟，降温过程考虑了预应力各阶段各项预应力损失。梁段边界上施加从MIDAS/CIVIL整体模型中得到的相应工况内力。其中，轴力和Y方向的剪力分布到边界面上的各个节点，Z方向的剪力按照应力分布规律分布到边界腹板的各个节点，弯矩和扭矩均按照静力等效原则换算为作用在顶底板和腹板的均布力。

5 结果分析

上述4种荷载工况作用下经实体模型计算得到的0#块的应力分布情况如表1所列。

由分析结果可知，4种工况作用下的总体受力趋势接近。为避免重复，文中仅对工况1作用下的应力云图进行详细分析。

图6为X方向应力分布图。

X向应力的分布情况为：顶板以受压为主，应力区间为-15.1~-8.66 MPa；底板以受压为主，应力区间为-11.9~-2.25 MPa，在泄水孔处的局部出现应力集中，有轻微拉应力出现；腹板以受压为主，应力区间为-15.1~-2.25 MPa；横隔板主要受为较小的拉应力，应力值约为0.95 MPa；最大应力出现在顶板与横隔板倒角相交位置；最小应力出现在顶板外侧与横隔板相交处。

表1 0#块应力分析结果一览表

图6 X方向应力分布图

图7为Y方向应力分布图。

图7 Y方向应力分布图

Y向应力的分布情况为：顶板应力拉压均有出现，应力区间为-2.98~2.15 MPa；底板应力拉压均有出现，应力区间为-2.88~0.466 MPa，在泄水孔处的局部出现应力集中；腹板以受拉为主，应力值0.466 MPa；横隔板主要受拉，应力区间为0.466~2.30 MPa；最大应力和最小应力均出现在底板的泄水孔处。

图8为Z方向应力分布图。

图8 Z方向应力分布图

Z向应力的分布情况为：顶板应力拉压均有出现，应力区间为-0.989~0.937 MPa；底板应力拉压均有出现，应力区间为-2.91~-0.936 MPa；腹板以受压为主，应力区间为-1.95~-0.26 MPa；横隔板应力拉压均有出现，应力区间为-5.7~-0.98 MPa；最大应力出现在横隔板与底板倒角处，最小应力出现在顶板外侧与横隔板相交处。

图9为σ1应力分布图。

图9 σ1应力分布图

σ1应力的分布情况为：顶板应力区间为-2.03~-0.579 MPa；底板应力区间为-1.45~-1.16 MPa；腹板应力区间为-0.59~0.29 MPa；横隔板应力区间为1.16~2.37 MPa；最大应力出现在顶板与横隔板倒角处，最小应力出现在底板泄水孔处。

图10为σ3应力分布图。

图10 σ3应力分布图

σ3应力的分布情况为：顶板应力区间为-15.9~-6.82 MPa；底板应力区间为-9.8~-7.7 MPa；腹板应力区间为-12.9~-3.8 MPa；横隔板应力为0~2.24 MPa；最小应力出现在顶板外侧向横隔板倒角处，最大应力出现在顶板与横隔板外侧相交处。

6 分析结论

经分析可知：

（1）桥梁结构的恒载对0#块的空间应力分布和大小起决定作用，其他荷载引起的应力变化不大，与一般大跨度桥梁受力趋势吻合。

（2）实体模型计算的0#块空间应力水平与全桥整体计算分析结果接近，应力水平大多处于规范限值范围之内，说明结构受力安全，尺寸基本合理。

（3）在横隔板倒角与周边箱梁体接触的局部范围内、墩梁固结处、底板开孔处等，由于应力集中效应存在，出现了较大的拉压应力。但这些较大的拉压应力均在很小的范围出现，未形成大的应力区域。考虑到横隔板本身是普通钢筋混凝土构件，局部区域出现较大的拉压应力不可避免，但是在配筋设计时建议中对这些区域予以重视、加强。