簡支變連續雙支座組合箱梁支反力空間分析

高合嬌

（無錫市政設計研究院有限公司,江蘇 無錫 214072）

簡支變連續雙支座組合箱梁支反力空間分析

高合嬌

（無錫市政設計研究院有限公司,江蘇 無錫 214072）

建立簡支變連續雙支座組合箱梁橋空間模型,分析支座受力,判定其支座在施工和使用階段均不脫空。

簡支變連續；雙支座；組合箱梁；支反力；支座脫空

0 引言

簡支變連續雙支座組合箱梁橋在使用階段,除了自重以外,還受到二期恒載、活載和溫度等其他可變荷載影響。為了確保結構的穩定與安全,要求在各種工況條件下,支座均處于受壓狀態。支座脫空對于連續梁來說是非常不利的,會使支座受力不均,嚴重時可能使梁翻轉。雙支座組合箱梁橋支座在橋墩上雙排排列,支座受力不均的可能性加大。因此需要驗算雙支座組合箱梁橋在使用過程中支座的受力情況,以便采取必要的措施保證所有的支座受壓[1-3]。

通過對某座簡支變連續雙支座組合箱梁橋進行幾種工況組合,分析雙支座支承結構的受力性能,判定在最不利荷載工況組合下支座是否脫空,得出相應結論供相關人員參考。

1 工程概況

該簡支變連續雙支座組合箱梁橋位于某高速公路上,跨徑布置為3×25 m,橋梁全寬11.7 m,橫向布置4片小箱梁。箱梁梁高140 cm,在跨中處頂板、底板、腹板厚度均為18 cm；支點處底板和腹板加厚至25 cm。箱梁材料采用C50混凝土。預應力鋼筋采用單根直徑15.24 mm的低松弛鋼絞線,橋面鋪裝為8 cm厚C40水泥混凝土調平層和10 cm厚瀝青混凝土橋面鋪裝。豎向日照正溫差T1=17℃、T2=6℃、A＝300 mm；豎向日照反溫差T1=8.5℃、T2=3℃、A＝300 mm。圖1是橋梁跨中橫截面圖。

圖1 跨中橫截面圖（單位:cm）

2 結構分析空間模型的建立

用空間有限元程序ANSYS進行建模,當模型劃分有限元網格之后,將單元形狀開關打開,則該有限元計算模型如圖2所示,支點截面單元如圖3所示。

圖2 全橋有限元計算模型

圖3 支點截面單元劃分

2.1 邊界約束條件

ANSYS建立簡支變連續雙支座組合箱梁橋的空間模型,合理模擬其邊界約束條件對結構的計算分析至關重要。

根據支座在橋梁縱、橫向布置的方式,在ANSYS中對組合箱梁的邊界條件進行合理約束。簡支狀態下每跨梁有4個支座,其中一個是雙單向約束支座,另一個是單向約束支座,另外兩個為雙向活動支座。簡支梁轉換為連續梁后,支座位置仍然保持不變,兩跨梁相鄰的一個雙向約束支座改為單向約束支座。三跨連續時再將一個雙向約束支座改為單向約束支座,支座位置都不改變。

本橋使用板式橡膠支座,主梁與支座之間沒有拉力結構,支座實際上只能受壓,是不具備受拉能力的。因此將支座考慮成只能受壓的支座,其計算結果才能符合實際情況。利用空間有限元程序提供的單向受力桿單元并在計算時將單元選項設置為Compression only,就可以模擬支座的實際受力狀態。把不與箱梁相連接的一端節點所有自由度都約束,與箱梁結構連接一端根據橋梁具體情況來施加自由度約束。雙支座組合箱梁的支座布置如圖4所示,并對各個支座進行編號,見表1。

圖4 支座布置示意圖

表1 支座編號表

2.2 施工過程的模擬

簡支變連續雙支座組合箱梁橋的施工過程如下:

（1）先預制主梁,混凝土達到設計強度后,張拉正彎矩預應力鋼束,并壓注水泥漿；同時設置好支座,逐孔安裝主梁,置于支座上形成簡支狀態。

（2）在日溫度最低時澆筑連續段混凝土,達到設計強度后,張拉負彎矩區預應力鋼束并壓注水泥漿。

（3）澆筑剩余部分橋面板濕接縫混凝土,進行體系轉換,最終形成三跨連續梁。

（4）橋面鋪裝及護欄施工。

梁在簡支狀態下時,自重效應已經發生。當結構轉變為連續梁后,施加在結構上的所有荷載將由前后三跨梁共同受力。這種情況的連續梁設計就必須考慮結構體系的轉換問題。用ANSYS大型通用有限元程序進行建模時,要利用其“單元生死”功能以及設置相應的載荷步來模擬施工全過程[4-5]。生死單元模擬施工過程的實現途徑是,本階段安裝的單元在本階段激活,不在本階段安裝的單元殺死。在每一步的轉換分析中,結構將自動繼承前一體系的單元初始狀態。

ANSYS中載荷步的設置須反映施工過程中每一步驟的受力狀況[6]。結合施工順序,施工過程被劃分為6個載荷步來實現,這6個載荷步分別為:

載荷步1:先預制主梁,混凝土達到設計強度后,張拉正彎矩預應力鋼束,并壓注水泥漿；同時設置好支座,逐孔安裝主梁,置于支座上形成簡支狀態。

載荷步2:在日溫度最低時澆筑墩頂處連續段混凝土。

載荷步3:連續段混凝土達到設計強度后,張拉負彎矩區預應力鋼束。

載荷步4:澆筑剩余部分橋面板濕接縫混凝土,進行體系轉換,最終形成連續梁。

載荷步5:橋面鋪裝及護欄施工。

載荷步6:施加活載。

第一個載荷步計算簡支梁狀態下的箱梁自重效應,這個可以用“單元生死”功能進行操作。先殺死三跨連續梁中間的連接單元和橫向濕接縫的所有單元,這些單元要在后續施工載荷步中被激活。此時計算模型等同于三跨簡支梁結構。邊界條件上,在單元進行網格劃分時考慮支點位置與節點的吻合,根據實際情況對簡支梁結構施加自由度約束。結構自重按體積力考慮,設定重力加速度為9.8 m/s2,施加自重后進行求解。在后續載荷步中,根據實際施工過程把第一步中殺死的單元重新激活,此時計算模型等同于三跨連續梁。支點自由度約束也進行適當調整。各部件自重按體積力考慮,設定重力加速度為9.8 m/s2,隨所在單元的激活而自動計入。橋面系荷載均按面積力考慮,在相應的載荷步中加入。溫度荷載轉化為階段荷載施加到單元上。

3 各階段支反力分析

3.1 施工階段支反力分析

為了更好地分析各個支座實際受力狀態,將計算后的各個支座在施工過程中恒載作用下即載荷步1～5的反力值提取出來,其中張拉負彎矩區預應力筋后支座反力值見表2。

簡支變連續雙支座組合箱梁橋各個支座在施工階段的支反力值都是大于零的,說明在施工過程中支座都沒有脫空。

表2 張拉負彎矩區預應力筋后支座反力 kN

3.2 使用階段支反力分析

簡支變連續雙支座組合箱梁橋在使用階段,除了自重以外,還受到二期恒載、活載和溫度等其他可變荷載影響。支座上的豎向力有結構自重的反力、汽車荷載的支點反力及其影響力。在計算汽車荷載的支點反力時,應按照最不利的狀態布置荷載計算,對于汽車荷載的作用,應計入沖擊影響力。

按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）進行荷載組合,在分析中通過設置不同的荷載因子來考慮不同組合對應的荷載組合系數[7]。在此采用最不利的一種荷載組合進行計算。

由于等跨連續梁的邊跨受力最不利,將汽車荷載按照偏載布置在連續梁的第一跨上,示意圖如圖5所示,則在汽車荷載作用下支座反力值見表3。

圖5 汽車荷載作用示意圖

表3 活載作用時的支反力kN

恒活載組合作用下的各個支座反力值見表4。

表4 恒活載組合時的支反力 kN

為直觀地表示各支座在施工及使用過程中的反力變化情況,在后處理中可以取出各支座豎向反力隨載荷步的變化曲線圖,號為29～32的支座隨載荷步的反力變化圖如圖6所示。

圖6 支座號為29～32的支座反力圖

由圖6可以看出,29～32號支座在載荷步中的支反力值包括在恒活載不利組合作用下的反力值都是大于零的,說明在各個施工過程中支座始終參與作用,即使在邊跨布置偏載時,在恒活載最不利組合作用下,中跨支座都處于受壓狀態；支座反力值線走向一致,中梁29和30號支座的支反力值接近,邊梁31和32號支座反力值有所不同,這是因為中梁是對稱的,邊梁不對稱且其上又有護欄的偏載作用。

在恒活載最不利組合作用下,同一個墩頂上的雙排支座反力D和E（或B和C）支反力有較大的差值,見表5。同一個墩頂上的雙排支座D列各個支座均比E列各個支座反力值小,總值相差1 726.2 kN,D列支座反力值是E列支座反力值的45.5%,31號支反力值（126.8 kN）僅是39號支座反力值（330.5 kN）的34.5%。同一個墩頂上的雙排支座反力值相差較大,對墩頂的壓力值相差較大,使墩頂受偏壓作用。

4 結語

通過建立簡支變連續雙支座組合箱梁橋的空間模型,用載荷步模擬各個施工階段和運營階段,各個支座在各個載荷步中的支反力值都是大于零的,說明在施工和運營中支座都沒有脫空。

表5 墩頂支反力值 kN

在恒活載最不利組合作用下,同一個墩頂上的雙排支座反力值和有較大的差值。由于對墩頂的壓力值相差較大,使墩頂受偏壓作用。

[1]李睿,王鵬,康慷.無支座轉換的簡支轉連續梁橋的計算方法[J].城市道橋與防洪,2007(1):31-33.

[2]楊萬里,項貽強,汪勁豐.先簡支后連續分布式箱梁橋后連續預應力合理張拉順序研究[J].公路交通科技,2008,25(1):79-87.

[3]張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應用方法與實例[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]趙曉梅,周質炎.ANSYS在結構體系轉換及結構優化中的應用[J].特種結構,2005,22(2):66-67.

[5]郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[6]陳光明,唐家祥,李黎,等.組合梁橋施工過程的數值模擬[J].華中科技大學學報（城市科學版）,2003,20(1):18-21.

[7]顏毅,杜鵬,高英祚,等.橋梁施工過程分析在ANSYS中的實現方法[J].重慶交通大學學報（自然科學版）,2007,26(s1):18-21.

U443.3

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1009-7716（2017）07-0073-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.022

2017-03-13

高合嬌（1983-）,女,山東菏澤人,工程師,從事橋梁設計工作。