連續(xù)剛構(gòu)箱梁零號塊應(yīng)力分析

呂全金

摘 要：本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋的零號塊為研究對象，首先運用橋梁專業(yè)軟件Midas Civil對全橋進(jìn)行整體分析，求得零號塊兩端截面的內(nèi)力值，然后利用細(xì)部有限元分析軟件Midas FEA中建立零號塊的實體有限元計算模型，然后將整體模型中計算的內(nèi)力值施加于零號塊兩端截面形心位置上。本文通過不同方向的正應(yīng)力以及最大、最小主應(yīng)力的角度來考察零號塊各個構(gòu)件部位以及應(yīng)力相對集中位置的應(yīng)力狀況。通過對零號塊進(jìn)行成橋階段的空間應(yīng)力分析，給出了零號塊設(shè)計與施工過程中的一些建議，為類似橋梁工程提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；零號塊；應(yīng)力分析

中圖分類號：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 工程概況

某上部結(jié)構(gòu)為（95+180+95）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，箱梁根部高度11.0m，跨中高度4.0m。箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化。主橋縱向及豎向、橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用GB/T5224-2003標(biāo)準(zhǔn)270級鋼絞線，單根鋼絞線直徑15.24mm，公稱面積139mm2，彈性模量1.95×105MPa，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa，設(shè)計錨下張拉控制應(yīng)力1395/1302MPa。主梁結(jié)構(gòu)安裝全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計。豎向預(yù)應(yīng)力鋼束最長束達(dá)17m，位于墩頂0#塊橫隔板位置。

2 有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型

本文以該橋5#墩的零號塊為研究對象，分析其在成橋階段即全橋合龍且施加二期鋪裝時的應(yīng)力狀態(tài)。由圣維南原理可知0號塊的應(yīng)力狀況只與其一定長度范圍內(nèi)的應(yīng)力狀況有關(guān)，遠(yuǎn)離0號塊部位的應(yīng)力對0號塊影響很小可以忽略不計。因此本文選取5#墩0號塊、1#塊、2#塊以及部分長度的墩高建立實體單元模型進(jìn)行空間應(yīng)力分析。利用非線性及細(xì)部分析軟件Midas FEA建立空間實體單元模型。混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束分別用實體單元和鋼筋單元模擬，建立計算模型如圖1所示。模型中考慮了預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力、摩阻損失、預(yù)應(yīng)力松弛損失及錨具變形影響。

2.2 施加邊界及荷載

該0#塊實體模型單元采用自動實體網(wǎng)格，將模型劃分為122583個單元、58040個節(jié)點。模型的邊界條件在墩底彈性約束處理。本文利用橋梁專業(yè)軟件Midas Civil，采用梁單元建立桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，得到成橋狀態(tài)下零號塊兩端的內(nèi)力值，利用非線性及細(xì)部有限元分析軟件Midas FEA，建立零號塊局部實體有限元模型，并將成橋狀態(tài)下的內(nèi)力添加在零號塊相應(yīng)的主節(jié)點上。最后還需在零號塊細(xì)部有限元計算模型中添加其他荷載，如：自重、預(yù)應(yīng)力、二期荷載等。

3 應(yīng)力分析

利用Midas FEA計算軟件對零號塊進(jìn)行仿真分析，就可以計算出實體模型中任意單元及節(jié)點的位移、應(yīng)力大小。本文通過不同方向的正應(yīng)力以及最大、最小主應(yīng)力的角度來考察零號塊各個構(gòu)件部位以及應(yīng)力相對集中位置的應(yīng)力狀況，結(jié)果如下：

3.1 縱向正應(yīng)力

由圖2可見：（1）零號塊頂板、腹板、底板均處于受壓狀態(tài)，無拉應(yīng)力產(chǎn)生，且零號塊頂板、底板、腹板縱向壓應(yīng)力未超過C55混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，計算結(jié)果與設(shè)計相符。（2）該零號塊橫隔板附近有些許拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.04MPa。橫隔板整體壓應(yīng)力未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，拉應(yīng)力超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值但未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（3）該零號塊端部截面與橫隔板倒角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此對該部位進(jìn)行應(yīng)力考察。通過分析可得，橫隔板與頂板倒角處的應(yīng)力為-10.01MPa（負(fù)值表示受壓）。橫隔板與底板倒角處的應(yīng)力為-9.49MPa。橫隔板與腹板倒角處的應(yīng)力為-9.52MPa。結(jié)果表明，易出現(xiàn)壓應(yīng)力集中的部位，其最大壓應(yīng)力均未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 橫向正應(yīng)力

由圖3可見：（1）零號塊最大橫向壓應(yīng)力為-3.82MPa，未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（2）零號塊局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力：頂板拉應(yīng)力與壓應(yīng)力并存，其中最大壓應(yīng)力發(fā)生在頂板上緣，其值為-3.44MPa；同時也存在少量拉應(yīng)力，其大小為0.12MPa；腹板拉應(yīng)力與壓應(yīng)力并存，其中最大壓應(yīng)力為-2.76MPa；同時也存在少量拉應(yīng)力，其大小為0.02MPa；底板拉應(yīng)力與壓應(yīng)力并存，其中最大壓應(yīng)力為-2.13MPa；同時也存在少量拉應(yīng)力，其大小為0.23MPa；橫隔板拉應(yīng)力與壓應(yīng)力并存，其中最大拉應(yīng)力發(fā)生在人孔附近，其大小為2.37MPa。通過分析可得上述部位僅人孔附近處的拉應(yīng)力超出了C55混凝土抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值，其余位置橫向拉、壓應(yīng)力狀況均符合要求。

3.3 豎向正應(yīng)力（如圖4所示）

由圖4可見：（1）零號塊最大豎向壓應(yīng)力為-2.98MPa，未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（2）零號塊局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力：頂板拉應(yīng)力與壓應(yīng)力并存，其中最大壓應(yīng)力發(fā)生在頂板上緣，其值為-1.70MPa；同時也存在少量拉應(yīng)力，其大小為0.29MPa；腹板受壓，其中最大壓應(yīng)力為-2.40MPa；底板受壓，其中最大壓應(yīng)力為-2.46MPa；橫隔板受壓，其中最大壓應(yīng)力發(fā)生在人孔附近，其大小為-2.34MPa。通過分析可得底板與墩交界處部位以及橫隔板人孔附近處出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，其最大值低于C55混凝土抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值。

3.4 主拉應(yīng)力

由圖5可見：（1）觀察零號塊應(yīng)力矢量圖，可得出主拉應(yīng)力主要為橫向拉應(yīng)力。最大主應(yīng)力為1.63MPa，未超過C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（2）零號塊頂板受力同時存在拉、壓應(yīng)力，其應(yīng)力大小的范圍為-1.15MPa～0.45MPa；底板拉應(yīng)力與壓應(yīng)力并存，其應(yīng)力大小的范圍為-0.43MPa～0.54MPa；橫隔板應(yīng)力大小的范圍為-1.21MPa～0.71MPa。通過分析，表明結(jié)構(gòu)整體主壓應(yīng)力均未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，局部應(yīng)力相對集中的區(qū)域主拉應(yīng)力超過C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（3）底板與墩交界處、橫隔板與頂板底面都出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，其中最大拉應(yīng)力為0.26MPa，主拉應(yīng)力未超過C55混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

3.5 主壓應(yīng)力

（1）根據(jù)計算結(jié)果，主壓應(yīng)力主要為縱向壓應(yīng)力。零號塊最小主應(yīng)力為-10.86MPa，未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（2）零號塊頂板受壓，其應(yīng)力大小的范圍為-9.87MPa～ -7.13MPa；底板受壓，其應(yīng)力大小的范圍為-10.39MPa～-1.49MPa；橫隔板受壓，其應(yīng)力大小的范圍為-10.15MPa～ -7.13MPa。通過分析，表明結(jié)構(gòu)整體主壓應(yīng)力未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。（3）底板與墩交界處、橫隔板與頂板底面都出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，其中最大壓應(yīng)力為-9.42MPa，主壓應(yīng)力未超過C55混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。

結(jié)語

（1）由于模型中沒有考慮構(gòu)造鋼筋的影響，因此在局部應(yīng)力集中的位置可能存在應(yīng)力超限的情況。（2）零號塊截面變化較多，因此應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，同時存在應(yīng)力集中的部位。零號塊是整個結(jié)構(gòu)體系中受力相對比較復(fù)雜的地方，這是因為零號塊各個構(gòu)件尺寸相對其他部位較為薄弱，另外箱梁截面在橫隔板附近截面發(fā)生突變，而往往在這些地方通常會出現(xiàn)應(yīng)力超出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計值的現(xiàn)象，嚴(yán)重的會造成混凝土開裂。所以在對零號塊設(shè)計的過程中，要對這些敏感部位進(jìn)行仔細(xì)考慮，從而達(dá)到改善其應(yīng)力狀態(tài)。（3）為杜絕這些應(yīng)力易超限部位發(fā)生混凝土開裂現(xiàn)象，本文建議可采取以下方法：①根據(jù)對零號塊應(yīng)力分析可知，對于應(yīng)力薄弱處，尤其是易發(fā)生開裂的地方要增加配筋，同時可以在零號塊主筋表面配置防止混凝土開裂的鋼筋網(wǎng)；在腹板處設(shè)置豎向精軋螺紋鋼筋用來抵抗零號塊豎向以及橫向拉應(yīng)力。②橫隔板尺寸的大小應(yīng)與頂板、底板匹配，以達(dá)到改善零號塊受力狀態(tài)為目的。③由于主墩墩頂彎矩較大，而墩、梁交接處為二次施工的分界點，使得該處受力不利。因此箱梁零號塊的豎向預(yù)應(yīng)力可延伸至墩頂以下5m～10m以改善墩、梁交接處的受力。④因該零號塊體積較大，通常采用兩次澆筑的方法進(jìn)行，同時澆筑時充分振搗，采取措施降低混凝土水化熱對結(jié)構(gòu)所造成的影響，并充分養(yǎng)護(hù)。⑤在對零號塊進(jìn)行施工時，要確保尺寸準(zhǔn)確、截面倒角圓滑，以此來減小應(yīng)力集中的情況。

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