基于ANSYS的组合箱梁拼接缝受力特性探究

安景峰 马永磊 王继林

（1.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210000；2.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

一、概况

某桥位于京沪高速公路，由于交通量日益增长，原有的道路设计已无法满足交通需求，因此需要扩建。大桥原设计荷载标准为汽-超20，挂车-120，拼宽后设计遵循现行荷载规范，设计荷载标准为公路-I级荷载。拼宽采用上部结构刚性连接、下部结构不连接的方案。

新、旧桥上部结构均为7×25m先简支后连续部分预应力混凝土组合箱梁。下部结构采用双柱式桥墩、肋板式桥台，基础均为钻孔灌注桩。桥梁立面图及横断面如图1、图2所示。

二、建立有限元模型

图1  某大桥立面图（单位：cm）

图2  拼宽后大桥横断面图（单位：cm）

大桥的拼宽分析采用ANSYS有限元分析软件，并以左幅桥梁为例建立全桥有限元模型如图3所示，分析时不考虑纵横坡影响。小箱梁、湿接缝及现浇层采用Solid45实体单元模拟；预应力钢绞线采用Link8单元模拟，并采用施加初应变的方式模拟预加力；沥青混凝土桥面铺装层仅考虑其质量效应，忽略其刚度贡献，采用Mass21单元对沥青铺装层的质量分布进行模拟；支座采用combine14弹簧单元模拟。

三、新旧桥梁接缝的横向内力分析

验算位置选取接缝中部，并分析沿纵桥向的横向弯矩分布情况，具体如图4所示。

桥梁所受作用考虑恒载作用、汽车荷载作用和支座不均匀沉降作用。

（一）恒载作用

接缝浇筑前，新旧桥均已经完成施工，且旧桥一侧翼缘已部分凿除。因此，结合该施工过程，将桥梁恒载作用分为3个阶段：

1.杀死接缝及二期恒载单元，计算新旧桥分离下的作用效应；

2.激活接缝单元的质量及刚度；

3.激活二期恒载的质量单元。

（二）汽车荷载作用

图3  有限元模型

图4  验算位置示意图

图5  荷载横向布置（单位：mm）

汽车荷载作用考虑不同的横向布置。车道荷载横向与纵向布置分别如图5、图6所示。根据荷载布置情况，计算工况如表1所示。

（三）支座不均匀沉降作用

支座不均匀沉降仅考虑新建箱梁发生沉降，并认为支座沉降沿横桥向呈线性变化。设置的2个沉降计算工况具体如下：

1.Case sub1支座最大沉降量为3mm；

2.Case sub2支座最大沉降量为5mm。

四、作用效应组合后的横向内力验算

以上各工况所得结果均为作用效应标准值（其中汽车荷载已考虑冲击系数），参考《公路桥涵通用设计规范》（JTG D60-2015）的相关要求，对各作用效应进行组合，并根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）验算抗弯承载能力和裂缝宽度。

（一）抗弯承载能力验算

根据规范组合各作用效应，对比验算位置的横向弯矩包络图和抗力计算结果，验算位置满足正截面抗弯承载力要求，结果如表2所示。

（二）裂缝宽度验算

图6  荷载纵向布置（单位：m）

表1  汽车荷载工况

表2  验算位置效应抗力对比

图7  接缝的裂缝宽度

依据规范提供的计算公式，结合有限元模型的内力计算结果，可以得到横向弯矩作用下验算位置纵向裂缝宽度的分布情况，其中第一跨各验算位置结果如图7所示。

根据计算结果，跨中各截面验算截面2处最大裂缝宽度为0.012mm，小于最大裂缝宽度限值。因此，横向受力情况下，接缝位置能满足《公路混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中关于裂缝宽度的要求。需注意计算裂缝宽度时未考虑混凝土现浇层及接缝处箍筋的贡献，因此接缝处的实际裂缝宽度会进一步减小。