单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁超载作用下的扭转损伤性能研究

2021-08-26陈星烨李彦超

河南科技 2021年9期

陈星烨李彦超

摘要：为了研究单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁超载作用下扭转对损伤的影响，本文以临海大桥为工程背景，利用ABAQUS建立混凝土塑性损伤模型，通过逐级加载进行数值模拟仿真。结果显示，正常偏载或均载作用下的单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁都能够正常工作;加载到2.1倍时，偏载情况下开始产生损伤，而均载情况下依旧没有产生损伤;相同倍数荷载情况下，偏载加载造成的损伤度高于均载加载;单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁超载时，扭转对损伤的影响比较大。

关键词：单索面混凝土斜拉桥;薄壁箱梁;超载;扭转;损伤;数值模拟

中图分类号：U448.27文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）09-0101-03

Abstract： In order to study the effect of torsion on damage of single-cable plane concrete cable-stayed bridge thin-walled box girder under overloading， this paper took Linhai Bridge as the engineering background， used ABAQUS to establish a concrete plastic damage model， and conducted numerical simulation through gradual loading. The results show that the thin-walled box girder of single-cable plane concrete cable-stayed bridge under normal eccentric load or uniform load can work normally; when loading to 2.1 times， damage begins to occur under partial load， but there is still no damage under uniform load; under the same multiple load， the damage caused by eccentric load is higher than that of uniform load; when the thin-walled box girder of a single-cable plane concrete cable-stayed bridge is overloaded， the torsion has a greater impact on the damage.

Keywords： single cable plane concrete cable-stayed bridge;thin-walled box girder;overload;torsion;damage; numerical simulation

單索面混凝土斜拉桥箱梁具备薄壁、翼宽、扁平和单箱多室的特点，斜拉索锚固于主梁中心线上，因而难以给主梁提供抗扭支承，在汽车偏载作用下，主梁的空间扭转效应和扭转抗裂问题十分突出。国内外学者对混凝土箱梁的扭转问题进行了大量的探讨，取得了多项成效显著的理论研究与应用成果[1-5]。由于复合受力状态下单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁扭转问题的复杂性和艰巨性，现有针对薄壁箱梁的研究主要从纯扭、纯弯的角度来考虑箱梁的扭转效应及损伤情况，与处于复合受力状态的单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁的受力环境存在差异，同时单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁复合受力下偏载造成的扭转效应对损伤的影响还有大量值得研究的地方。本文拟采用有限元数值模拟的方法研究单索面混凝土斜拉桥薄壁超载情况下偏载作用对损伤的影响。基于相似理论，笔者设计一个全截面节段模型，参考文献[6-7]建立混凝土塑型损伤模型，运用ABAQUS有限元软件进行数值模拟仿真。

1 混凝土塑性损伤模型

ABAQUS有限元软件中提供的CDP模型是由数位外国学者[8-9]提出的。混凝土在单轴受拉时，应力-应变曲线主要可分为两个阶段，即损伤出现前的线弹性阶段和产生损伤后的软化阶段，其应力-应变曲线如图1所示。[εel0t]、[εelt]分别为无损伤的混凝土受拉弹性应变和考虑损伤的混凝土受拉弹性应变;[εplt]、[εckt]分别为混凝土受拉的塑性应变和非弹性应变;[σt]、[σt0]分别为拉应力和抗拉极限强度。

混凝土单轴受拉应力-应变曲线方程为：

式中，[dt]为受拉损伤因子;[E0]为变形模量。

混凝土在单轴受压时，应力-应变曲线主要可分为三个阶段，即线弹性阶段、强化阶段以及软化阶段，应力-应变关系如图2所示。[εel0c]、[εelc]分别为无损伤的混凝土受压弹性应变和考虑损伤的混凝土受压弹性应变;[εplc]、[εinc]分别为混凝土受压的塑性应变和非弹性应变;[σc]、[σc0]、[σcu]分别为压应力、最大弹性压应力和极限压应力。

混凝土单轴受压应力-应变曲线方程为：

式中，[dc]为受压损伤因子。

2 塑性损伤因子的计算

ABAQUS中的损伤模型不仅要输入混凝土本构数据，还要输入受拉和受压损伤因子[dt]、[dc]。人们可以根据规范[10]给定的混凝土单轴受拉受压应力-应变曲线以及损伤演化参数，参考相关文献[11]，结合Sidiroff能量等价原理，推导出可以运用于塑性损伤模型的损伤因子。

3 有限元数值模拟分析

3.1 有限元模型建立

本文构建的模型以位于临海市的临海大桥为工程背景，该桥为独塔单索面混凝土斜拉桥，采用单箱三室混凝土箱梁。首先利用Midas/Civil建立全桥模型，计算出全桥扭转最不利受力位置为靠近塔柱的0号梁段。为了精确研究0号梁段受力情况，消除圣维南效应的影响，研究人员将其增加5个梁段，总模型节段长为32 m，梁段上横隔板中部锚固有斜拉索。利用ABAQUS建立节段有限元模型，如图3所示。模型采用C50混凝土，根据已推出的计算公式确定C50混凝土本构参数，钢筋塑性损伤参数输入参考相关规范。模型约束采用一端固结、另外一端自由的方式，斜拉索顶端采用铰接约束且设有预应力。人们可以通过Midas/Civil计算出截面32 m处的内力，并将这些边界力施加到悬臂端。为了更好地研究扭转造成的损伤情况，研究人员把车道和人群荷载分别按偏载和均载加载，然后进行逐级加载数值模拟。

3.2 数值模拟分析

正常偏载作用和均载作用下，有限元模型都没有损伤产生;当偏载和均载均加到2.1倍时，偏载情况下混凝土开始产生受拉损伤，均载作用下混凝土依旧没有产生损伤，其受拉损伤云图如图4所示。

继续逐级加载时，混凝土损伤程度会快速变大，当加到3.6倍时，均载作用下混凝土损伤程度达到28%，而偏载作用下损伤程度达到85%，损伤云图如图5、图6所示。

两种不同加载情况下混凝土模型受拉损伤度与荷载倍数的关系曲线如图7所示。

从图7可以看出，当车道荷载和人群荷载按偏心加载在桥面板的一侧时，随着荷载的不断加大，混凝土受拉损伤度起初上升比较平缓，然后迅速增大，达到一定损伤程度后，发展会比较缓慢;当车道荷载和人群荷载均布加在桥面板两侧时，随着荷载的不断增大，其混凝土损伤度曲线会平滑上升且增长率越来越快。

4 结论

本文通过ABAQUS建立单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁有限元模型，然后进行数值模拟分析。研究结果表明，正常偏载作用下0号梁段不会产生损伤;当偏载增大到2.0～2.1倍时，其开始产生受拉损伤;当偏载加到3.6倍时，其会出现大面积损伤。相同荷载加载倍数情况下，偏载作用下造成的混凝土受拉损伤程度高于均载作用下受拉损伤程度;单索面混凝土斜拉桥薄壁箱梁在超载情况下的扭转效应对损伤的影响较大，不可忽略。

参考文献：

[1]颜东煌，王晟，母进伟，等.节段纵移悬拼法足尺模型试验动载效应研究[J].中国公路学报，2016（11）：57-64.

[2]刘昀，颜东煌.部分预应力混凝土斜拉桥非线性性能与设计方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2015：18.

[3]刘昀，颜东煌.部分预应力混凝土斜拉桥设计的合理性分析[J].中外公路，2015（2）：83-86.

[4]项贻强，程坤，吴强强.钢筋混凝土-构件弯剪扭复合受力分析研究与进展[J].中国公路学报，2014（4）：46-54.

[5]叶益军，王银辉，陈旭丹，等.偏心荷载作用下多室宽箱梁弯扭特性分析[J].交通标准化，2014（2）：1-4.

[6]张飞，马建勋，南燕.混凝土塑性损伤模型参数的选取與验证计算[J].混凝土与水泥制品，2021（1）：7-11.

[7]曾宇，胡良明.ABAQUS混凝土塑性损伤本构模型参数计算转换及校验[J].水电能源科学，2019（6）：106-109.

[8]LUBLINER J，OLIVER J，OLLER S，et al.A Plastic-damage

Model for Concrete[J].International Journal of Solids and Structures，1989（3）：299-326.

[9]LEE J，FENVES G.Plastic-damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures[J].Journal of Engineering Mechanics，1988（8）：892-900.

[10]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.