几何非线性对斜交高墩受力性能的影响研究

2021-09-13卓小丽

西部交通科技 2021年6期

卓小丽

(广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

随着我国公路交通建设的飞速发展，连续梁桥因其施工技术成熟、跨越能力较强等特点得到了广泛推崇和使用。而因线路及地形限制等原因，斜交高墩连续梁桥也应运而生，其结构受力特性及非线性效应也备受研究学者们关注。胡立华等[1]以湘西酉水大桥为研究背景，对结构在最高墩施工阶段及最大悬臂施工阶段的动力特性进行了分析，并结合现场实测数据对桥梁结构刚度进行了评价。陈建平等[2]针对酉水大桥，研究了日照温度对斜交高墩施工线形的影响规律，并提出了墩身线形及轴线偏位的施工控制措施。戴桂华等[3]以一大跨连续箱梁桥为研究背景，对其斜交高墩在几何非线性效应下的受力性能及多重非线性作用下的结构屈曲性能进行了分析，并研究了不同斜交角度对桥墩非线性屈曲的影响规律。李良[4]对斜交高墩发电大桥的抗震性能进行了分析，并对比分析了墩高、桥梁跨径及斜交角度等参数对桥梁地震响应的影响。白青侠等[5]采用能量法并考虑地基弹性变形的影响对桥梁高墩进行了非线性效应分析。辛延甫等[6]以西部某大跨高墩连续刚构桥为背景，考虑桩土作用下分析几何非线性对结构施工阶段和成桥运营阶段的受力性能的影响，并揭示了墩高对几何非线性效应的影响规律。本文拟以广西某大跨斜交高墩连续箱梁桥为研究背景，对其斜交高墩的非线性效应进行分析研究，以期为同类型项目提供一定参考。

1 工程概况

本项目以广西某大跨斜交高墩预应力钢筋混凝土变截面连续箱梁桥为依托工程，其跨径布置为(85+150+85) m。主梁断面为单箱单室箱形截面，梁底线形按1.8次抛物线变化，箱梁支点处梁高为9.0 m，跨中梁高为4.0 m。箱梁顶板全宽为12 m，单箱设有2%的单向横坡。底板宽度为6.5 m。箱梁在梁端设置一道1.8 m厚横隔板，两个主墩顶各设一道4.5 m厚横隔梁。主墩为5#、6#墩，墩身采用双肢矩形空心墩，顺水流布置，主桥墩轴线与桥梁中心线成65°夹角。左右两幅主墩间设置系梁，肢间中心间距为1 379.2 cm。其中，5#墩高为61 m，在墩底往上20 m处设置一个变截面段，横向放坡40∶1，纵向放坡80∶1，20 m以上部分为等截面。两个空心墩壁厚125 cm，桥墩及盖梁均采用C40混凝土。具体桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图(cm)

2 斜交高墩有限元模型的建立

利用Midas Civil软件建立背景连续箱梁桥上部结构有限元计算分析模型，采用空间梁格法进行主梁的模拟，其计算模型和边界条件如图2所示。为研究几何非线性对斜交高墩受力性能的影响，考虑大桥在正常使用时长期和短期作用下的荷载组合对主梁进行受力分析，提取5#墩顶支反力总结如表1所示(其中：FX为顺桥向反力，FY为横桥向反力，FZ为竖向反力)。

图2 箱梁空间梁格模型图

表1 支座反力组合值表

如表1所示，结构在正常使用短期组合作用下支座反力比长期组合大，故采用正常使用短期效应组合下结构支座反力值对5#斜交高墩进行几何非线性影响效应分析。

背景桥梁主桥5#墩高61m，在墩底往上20m处设置一个变截面段，横向放坡16∶1，纵向放坡80∶1，20m以上部分为等截面。该墩为薄壁矩形空心墩，壁厚125cm。以该桥墩为工程实例，利用有限元软件ANSYS建立实体有限元模型，对该桥墩实际受力情况进行模拟，桥墩及盖梁均采用SOLID65实体单元进行模拟，墩底采用固定约束。根据所计算支反力对模型施加墩顶竖向荷载及水平荷载，并考虑墩身重力荷载。相关计算参数如下：C40混凝土弹性模量为3.25×1010Pa，泊松比为0.3，密度为2 600kg/m3。斜交高墩有限元模型如图3所示。

图3 5#桥墩有限元模型图

3 几何非线性影响结果分析

根据上述所建模型，利用ANSYS软件自带的几何非线性分析模块对斜交高墩进行几何非线性影响效应分析，对比分析斜交高墩在考虑几何非线性与不考虑几何非线性两种工况下结构的受力及变形，总结几何非线性对斜交高墩的影响规律。具体分析结果如下。

3.1 几何非线性对结构变形的影响分析

经计算分析，考虑桥墩几何非线性条件下，桥墩X方向最大位移为0.046 317m，Y方向最大位移为0.014 501m，Z方向最大位移为0.012 994m；不考虑桥墩几何非线性条件下，桥墩X方向最大位移为0.044 719m，Y方向最大位移为0.014 151m，Z方向最大位移为0.012 77m。

几何非线性对结构三向变形影响对比如图4所示。相较于不考虑斜交高墩几何非线性，考虑几何非线性的斜交高墩X方向最大位移增大了3.6%，Y方向最大位移增大了2.5%，Z方向最大位移增大了1.8%。

图4 几何非线性对高墩三向变形影响对比柱状图

3.2 几何非线性对结构应力的影响分析

对比分析斜交高墩在两种工况下的结构应力的影响，因结果图较多，仅提取考虑桥墩几何非线性的结构应力图(如图5所示)。考虑桥墩几何非线性条件下，桥墩最大拉应力为2.29MPa，最大压应力为12.2MPa；不考虑桥墩几何非线性条件下，桥墩最大拉应力为2.21MPa，最大压应力为11.7MPa。相较于不考虑桥墩几何非线性，考虑桥墩几何非线性的桥墩最大拉应力增大了3.6%，最大压应力减小了4.3%。