預(yù)制墩線性、非線性比較分析

張樹清

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

預(yù)制墩線性、非線性比較分析

張樹清

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

采用有限元軟件ANSYS建立高強(qiáng)管型預(yù)制墩有限元模型，結(jié)合上部總體計(jì)算情況，對結(jié)構(gòu)逐級加載進(jìn)行計(jì)算分析，分析預(yù)制墩應(yīng)力云圖，得到最不利應(yīng)力點(diǎn)位置，繪制出最不利應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力與墩頂荷載曲線圖，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

預(yù)制墩；應(yīng)力；有限元；計(jì)算分析

1　工程概況

高強(qiáng)管型預(yù)制墩作為一種新型橋墩結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)形式新穎、承載力強(qiáng)、工廠化預(yù)制和裝配化施工等優(yōu)勢，其施工成本降低并且施工質(zhì)量得以系統(tǒng)性控制。作為一種新型橋墩結(jié)構(gòu)，此前在國內(nèi)公路建設(shè)中尚未有相關(guān)研究和應(yīng)用，目前尚沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范可供參照執(zhí)行。

某橋全長約14.31 km，采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)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(yù)制墩，下接承臺樁基礎(chǔ)。橋墩采用預(yù)制墩，混凝土強(qiáng)度等級為C70，樁基采用PHC管樁。預(yù)制墩根據(jù)墩高不同，采用不同高度整體預(yù)制，并進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，在預(yù)制墩底和承臺間預(yù)留杯口式安裝島，墩頂預(yù)留鋼筋，墩帽采用現(xiàn)場澆筑。預(yù)制圓柱墩直徑為1.2 m，壁厚為0.25 m。預(yù)制墩與承臺接頭方式為，承臺頂設(shè)環(huán)形杯口結(jié)構(gòu)，高度1m，頂寬0.40 m，內(nèi)徑D=1.2 m，見圖1。預(yù)制墩底采用梯形剪力紋，并對表面進(jìn)行拉毛處理，以利于與杯口混凝土的充分咬合，并根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況增設(shè)剪力孔和剪力筋，保證杯口結(jié)構(gòu)傳力的整體性和可靠性。在安裝島底部設(shè)直徑67 cm的定位墩，高度50 cm，采用C40混凝土澆筑，用于預(yù)制墩的安裝定位和輔助固定。

圖1　預(yù)制墩計(jì)算示意圖（單位：cm）

2　計(jì)算模型

2.1有限元

材料非線性問題的處理相對比較簡單，不需要重新列出整個問題的表達(dá)格式，只要將材料本構(gòu)關(guān)系線性化，就可將線性問題的表達(dá)格式推廣用于非線性分析。一般說，通過試探和迭代的過程求解一系列線性問題，如果在最后階段，材料的狀態(tài)參數(shù)被調(diào)整得滿足材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，則最終得到問題的解答。

預(yù)制橋墩混凝土采用C70混凝土，彈性模量Ec=3.7×104MPa,泊松比vc=0.2，溫度線膨脹系數(shù)為0.000 01，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=44.5 MPa、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=3.00 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=30.5 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)fck=2.07 MPa[1]，見圖2。

圖2　C70混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)全橋整體計(jì)算分析結(jié)果，選取整體計(jì)算最不利受力工況進(jìn)行局部分析計(jì)算。采用通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結(jié)區(qū)的空間仿真計(jì)算模型。有限元模型見圖3。

圖3　預(yù)制墩空間分析模型

分析結(jié)果與與實(shí)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(jié)構(gòu)的基本特性，所以從總體上反映結(jié)構(gòu)受力規(guī)律和特點(diǎn)[2]。在有限元分析中，真實(shí)的邊界條件是很難模擬出來的，只能對其進(jìn)行一系列假定。邊界條件設(shè)置的與實(shí)際結(jié)構(gòu)的近似程度將直接影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性[3]。在盡量考慮模型邊界條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)近似的同時(shí)，對無法準(zhǔn)確模擬的邊界條件按偏于安全處理。根據(jù)全橋整體計(jì)算情況，提取有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條應(yīng)按全橋總體計(jì)算得到的內(nèi)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(jié)合整體計(jì)算的工況結(jié)果，選取對結(jié)構(gòu)最不利幾個工況進(jìn)行分析，計(jì)算出最不利加載工況橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，讀取此工況支反力，以此力作為實(shí)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0kN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(shù)據(jù)見表1。

表1　荷載分級加載數(shù)值

3　結(jié)果分析

對預(yù)制墩進(jìn)行有限元分析，得到控制點(diǎn)E、F在所選取最工況下應(yīng)力分布，采用時(shí)程數(shù)據(jù)處理技術(shù)，繪制出應(yīng)力隨荷載變化關(guān)系曲線見圖4～圖7，并列出應(yīng)力變化區(qū)間見表2。

圖4　控制點(diǎn)E點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SX曲線

圖5　控制點(diǎn)E點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SY曲線

圖6　控制點(diǎn)F點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SX曲線

圖7　控制點(diǎn)F點(diǎn)軸力F與應(yīng)力SY曲線

從圖4～圖7和表2，可以看出：

（1）線性計(jì)算在線彈性范圍內(nèi)，預(yù)制墩應(yīng)力隨荷載增加而均勻增加，應(yīng)力呈線性變化—直線變化；非線性計(jì)算在材料非線性性范圍內(nèi)，預(yù)制墩應(yīng)力隨荷載增加，呈非線性變化—曲線變化；

（2）控制點(diǎn)E點(diǎn)（受拉側(cè)）最大正應(yīng)力SX：非線性計(jì)算應(yīng)力0.552MPa，線性計(jì)算應(yīng)力0.497 MPa；

（3）控制點(diǎn)E點(diǎn)（受拉側(cè)）最大正應(yīng)力SY：非線性計(jì)算應(yīng)力1.247MPa，線性計(jì)算應(yīng)力0.833 MPa；

（4）控制點(diǎn)F點(diǎn)（受拉側(cè)）最大正應(yīng)力SX：非線性計(jì)算應(yīng)力-4.168MPa，線性計(jì)算應(yīng)力-5.631 MPa；

（5）控制點(diǎn)F點(diǎn)（受拉側(cè)）最大正應(yīng)力SY：非線性計(jì)算應(yīng)力-19.560 MPa，線性計(jì)算應(yīng)力-22.486 MPa。

考慮材料非線性，計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)應(yīng)力非線性小于線性計(jì)算。當(dāng)荷載加載到第10級時(shí)，預(yù)制墩應(yīng)力達(dá)到最大，預(yù)制墩采用C70混凝土，局部最大應(yīng)力在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4　結(jié)　語

預(yù)制墩三維空間分析能直觀的了解該構(gòu)件應(yīng)力分布情況，通過觀察應(yīng)力云圖，找出最不利應(yīng)力點(diǎn)，繪制出應(yīng)力隨荷載變化曲線。對直徑1.2 m預(yù)制墩進(jìn)行線性、非線性計(jì)算比較，預(yù)制墩在荷載作用下應(yīng)力滿足規(guī)范要求，承載力強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。線性計(jì)算應(yīng)力較非線性計(jì)算應(yīng)力偏大，設(shè)計(jì)計(jì)算偏于安全。計(jì)算中材料非線性是理想情況的應(yīng)力應(yīng)變曲線，考慮施工中不確定因素，墩柱會存在一些缺陷，計(jì)算采用線性計(jì)算偏安全處理是合適的。

[1]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[4]曹忠強(qiáng).異型矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力分析[J].交通科技,2010(3):13-17.

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

圖6　有擋墻和無擋墻坡面種植

5　結(jié)語

交叉路口的漸變段與標(biāo)準(zhǔn)段有效結(jié)合，體現(xiàn)變與不變的理念，不變是為了保持整個綠化系統(tǒng)的統(tǒng)一，適當(dāng)?shù)淖兓梢愿玫钠鸬綐?biāo)識和導(dǎo)引作用；分段綠化有效銜接和變化體現(xiàn)了該路段的鮮明特色，同時(shí)也給駕乘人員不一樣的視覺體驗(yàn)。

U443.22

A

1009-7716（2016）10-0047-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.015

2016-03-18

張樹清（1983-），男，安徽阜南人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。