管型預制墩比較分析

張樹清　董　閣

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥　230088)

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管型預制墩比較分析

張樹清董閣

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：采用ANSYS軟件建立了不同墩徑的高強管型預制墩有限元模型，結合上部結構總體計算情況，對橋墩逐級加載進行計算，分析了預制墩應力特征，得到了最不利應力點位置，繪制出最不利應力點應力與墩頂荷載曲線圖。

關鍵詞：預制墩，應力，有限元，計算分析

1工程概況

高強管型預制墩作為一種新型橋墩結構，具有結構形式新穎、承載力強、工廠化預制和裝配化施工等優勢，其施工成本降低并且施工質量得以系統性控制。作為一種新型橋墩結構，此前在國內公路建設中尚未有相關研究和應用，目前尚沒有統一的設計規范可供參照執行。

某橋全長約14.31 km，采用高速公路標準建設，設計速度120 km/h，雙向四車道，全寬26.5 m。引橋采用35 m和40 m鋼板組合梁，分別采用預制墩，下接承臺樁基礎。橋墩采用預制墩，混凝土強度等級為C70，樁基采用PHC管樁。預制墩根據墩高不同，采用不同高度整體預制，并進行現場拼裝，在預制墩底和承臺間預留杯口式安裝島，墩頂預留鋼筋，墩帽采用現場澆筑。預制圓柱墩直徑為1.0 m，1.2 m，1.3 m，1.4 m，共四種規格壁厚分別為0.20 m，0.25 m，0.30 m，0.35 m。預制墩與承臺接頭方式為，承臺頂設環形杯口結構，高度1 m，頂寬0.40 m，內徑分別為1.0 m，1.2 m，1.3 m，1.4 m。預制墩底采用梯形剪力紋，并對表面進行拉毛處理，以利于與杯口混凝土的充分咬合，并根據現場試驗情況增設剪力孔和剪力筋，保證杯口結構傳力的整體性和可靠性。在安裝島底部設直徑47 cm，67 cm，77 cm，87 cm的定位墩，高度50 cm，采用C40混凝土澆筑，用于預制墩的安裝定位和輔助固定。預制墩計算示意圖見圖1。

2計算模型

2.1有限元

預制橋墩混凝土采用C70混凝土，彈性模量Ec=3.70×104MPa,泊松比vc=0.2，溫度線膨脹系數為0.000 01，軸心抗壓強度標準值fck=44.5 MPa、抗拉強度標準值ftk=3.00 MPa，軸心抗壓強度設計值fcd=30.5 MPa，抗拉強度設計值ftd=2.07 MPa[1]。杯口混凝土采用C40混凝土，彈性模量Ec=3.25×104MPa,泊松比Vc=0.2，溫度線膨脹系數為0.000 01，軸心抗壓強度標準值fck=26.8 MPa、抗拉強度標準值ftk=2.40 MPa，軸心抗壓強度設計值fcd=18.4 MPa，抗拉強度設計值ftd=1.65 MPa。

根據全橋整體計算分析結果，選取整體計算最不利受力工況進行局部分析計算。采用通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結區的空間仿真計算模型。有限元模型如圖2所示。

分析結果與實際情況必然存在一定的差距，但在模型理想化過程中，保持了結構的基本特性，所以從總體上反映結構受力規律和特點[2]。在有限元分析中，真實的邊界條件是很難模擬出來的，只能對其進行一系列假定。邊界條件設置的與實際結構的近似程度將直接影響到計算的準確性[3]。在盡量考慮模型邊界條件與實際結構近似的同時，對無法準確模擬的邊界條件按偏于安全處理。根據全橋整體計算情況，提取有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條件應按全橋總體計算得到的內力和位移加在模型上。在承臺底約束位移邊界，Uxyz三向全部約束。

2.2荷載工況

在局部分析中結合整體計算的工況結果，選取對結構最不利幾個工況進行分析，計算出最不利加載工況橋梁結構響應，讀取此工況支反力，以此力作為實體模型荷載邊界條件[4，5]。荷載工況選取，最大軸力F=6 000 kN；最大剪力F=600 kN。軸力、彎矩均分10級加載，軸力由0 kN每級加載600 kN直至6 000 kN，剪力由0 kN每級加載60 kN直至600 kN。

荷載分級數據如表1所示。

3結果分析

對預制墩進行有限元分析，得到控制點E，F在所選取工況下應力分布，采用時程數據處理技術，繪制出應力隨荷載變化關系曲線如圖4～圖6所示，并列出應力變化區間表如表2所示，圖表中正數為拉應力，負數為壓應力。

從圖3～圖6和表2，表3可以看出：

1)在線彈性范圍內，預制墩應力隨荷載增加而均勻增加，應力呈線性變化—直線變化。2)控制點E點(受拉側)最大SX應力：1.0 m預制墩應力0.488 MPa，1.2 m預制墩應力0.497 MPa，1.3 m預制墩應力0.296 MPa，1.4 m預制墩應力0.097 MPa。3)控制點E點(受拉側)最大SY應力：1.0 m預制墩應力1.873 MPa，1.2 m預制墩應力0.833 MPa，1.3 m預制墩應力0.159 MPa，1.4 m預制墩應力-0.356 MPa。4)控制點F點(受拉側)最大SX應力：1.0 m預制墩應力-5.063 MPa，1.2 m預制墩應力-5.631 MPa，1.3 m預制墩應力-4.972 MPa，1.4 m預制墩應力-4.347 MPa。5)控制點F點(受拉側)最大SY應力：1.0 m預制墩應力為-28.384 MPa，1.2 m預制墩應力-22.486 MPa，1.3 m預制墩應力-19.087 MPa，1.4 m預制墩應力-15.582 MPa。

墩徑越大控制點應力越小，應力隨墩徑增加而減小，在計算荷載范圍內，1.4 m預制墩應力較小，安全系數較大。當荷載加載到第10級時，預制墩應力達到最大，預制墩采用C70混凝土，局部最大應力在規范允許范圍內。

4結語

通過對預制墩三維空間分析能直觀的了解該構件應力分布情況，繪制出應力隨荷載變化曲線。分別對1.0 m,1.2 m,1.3 m,1.4 m直徑預制墩進行線性計算分析比較，預制墩在荷載作用下應力滿足規范要求，承載力強度符合設計要求。1.0 m直徑預制墩墩頂設計荷載須控制減小，1.3 m,1.4 m直徑預制墩墩頂荷載可以適當放大。結構線彈性計算應力偏大，設計計算偏于安全。考慮施工中不確定因素，墩柱會存在一些缺陷，計算采用線性計算偏安全處理是合適的。

參考文獻：

[1]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范.

[2]顏全勝，孔嘉慧，韓大建.金沙洲大橋主橋墩空間應力分析[J].昆明理工大學學報(理工版)，2003，28(6):113-116.

[3]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]張樹清,屈計劃.矮塔斜拉橋索鞍靜力分析.交通科技，2014(5):25-27.

[5]黎耀，鄭凱峰，陳力波.大跨矮塔斜拉橋塔墩梁固結部位應力計算分析[J].廣東公路交通，2007(3):14-17.

A comparative analysis of the tubular prefabricated pier

Zhang ShuqingDong Ge

(AnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230088,China)

Key words:prefabricated pier, stress, FEM, computational analysis

Abstract:By using the software ANSYS, the paper establishes the finite element models of the high-strength tubular prefabricated pier with different pier diameter. Based on the overall calculation, the paper does a computational analysis of the piers when loaded step by step. It also analyzes stress nephogram of the prefabricated pier, pinpoints the most unfavorable stress points and draws the curve graph of the stress of the most unfavorable stress points and loads on the top of pier.

文章編號：1009-6825(2016)14-0149-02

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：張樹清(1983- )，男，碩士，工程師

中圖分類號：U443.22

文獻標識碼：A