基于三維有限元支座布置對連續(xù)箱梁受力的影響分析

楊 娜，武登磊

(廣州快速交通建設(shè)有限公司 廣州市 510475)

0 引言

混凝土箱形截面具有良好的抗彎和抗扭特性，已成為不同跨徑混凝土橋梁設(shè)計的首選橋梁結(jié)構(gòu)形式[1-4]。

常規(guī)設(shè)計采用桿系進(jìn)行設(shè)計，通過橫向分布系數(shù)[5-6]、應(yīng)力增大系數(shù)[7-9]等方法進(jìn)行考慮。

桿狀構(gòu)件，即長度遠(yuǎn)大于高度和寬度的構(gòu)件，在拉壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)作用下的應(yīng)力和位移，可以利用經(jīng)典的材料力學(xué)公式計算分析。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為得到其進(jìn)一步、較精確的分析，可采用三維實體模型進(jìn)行計算。薛興偉等[10]利用三維實體單元建立連續(xù)箱梁全橋模型求取偏載系數(shù)進(jìn)行了研究,并將實體單元結(jié)果,與薄壁桿扭轉(zhuǎn)理論、修正偏壓法、偏壓法、經(jīng)驗系數(shù)法進(jìn)行了對比分析。喬倩妃等[11]采用三維有限元實體分析法研究預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土錨固區(qū)的應(yīng)力狀態(tài),分析了鋼束彎折角度及錨固塊順橋向長度對錨固區(qū)應(yīng)力的影響,得到了一些基本規(guī)律。張春雷[12]通過建立三維實體單元模型模擬該連續(xù)梁分析發(fā)現(xiàn),后澆段配束方案可能是導(dǎo)致該區(qū)域開裂的原因,施工過程中支架對結(jié)構(gòu)的作用也可能導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)底板出現(xiàn)裂縫,而運營過程中的超載對結(jié)構(gòu)影響較小。

箱梁結(jié)構(gòu)類型多、邊界條件復(fù)雜，難以用簡單的系數(shù)進(jìn)行概括。擬采用三維有限元，對支座布置對連續(xù)箱梁受力的影響進(jìn)行分析。

1 工程背景及模型的建立

某連續(xù)梁橋，其橋跨組合為(4×30)m，界面為單箱雙室斜腹板截面，主梁采用C50混凝土。橋?qū)?2.5m，梁高1.8m。采用MidasFEA六面體實體單元建模，每個節(jié)點3個平動自由度。全橋連續(xù)梁主梁共劃分了節(jié)點28995個，單元24915個。模型通過在2#墩，分別考慮不同的支座布置形式，來考查支座布置形式對連續(xù)箱梁受力的影響分析。

(1)三維實體模型一：雙支座模型。全橋在0#～4#墩均設(shè)置雙支座，支座間距為5.2m，見圖1(a)。

(2)三維實體模型二：單支座模型。在0#、1#、3#、4#墩設(shè)置雙支座，支座間距為5.2m；在2#墩設(shè)置單支座，見圖1(b)。

圖1 連續(xù)梁三維有限元模型及空間加載

主梁混凝土采用C50，計算主要參數(shù)取值為：彈性模量Ec=3.55x104MPa、容重γ=26kN/m3、泊松比μ=0.167。二期恒載設(shè)置于橋面，按照3.526kN/m2考慮，見圖1(c)，同時考慮結(jié)構(gòu)自重。

為與空間模型進(jìn)行有效對比，發(fā)現(xiàn)差異，同時建立了桿單元模型，見圖2。

圖2 連續(xù)梁桿系模型及空間加載

2 支座布置對箱梁受力的影響分析

通過單支座、雙支座的三維實體模型與桿系模型進(jìn)行對比。

2.1 縱向正應(yīng)力

(1)縱橋向正應(yīng)力結(jié)果

圖3分別為桿系模型、三維實體模型一雙支座模型、三維實體模型二單支座模型，在2#墩的縱橋向截面上緣正應(yīng)力圖。

圖3 2#墩縱橋向截面上緣正應(yīng)力(單位:MPa)

圖3(a)為桿系模型，整個截面同一高度的應(yīng)力均相同，桿系模型2#墩的縱橋向截面上緣正應(yīng)力為3.2MPa。圖3(b)、圖3(c)采用了線上圖功能，能將兩點間的計算結(jié)果，取出若干個計算結(jié)果進(jìn)行圖示，具有方便、直觀的特點。圖3(b)、圖3(c)為實體模型2#墩的縱橋向截面上緣正應(yīng)力的線上圖結(jié)果。由圖3(b)、圖3(c)可見：

實體模型的最大縱向拉應(yīng)力均大于桿系模型，其分別是桿系模型的倍數(shù)：

三維實體雙支座模型3.65MPa/桿系模型3.2 MPa=1.14倍。

三維實體雙支座結(jié)果3.91MPa/桿系模型3.2MPa=1.22。

說明桿系模型計算偏危險，應(yīng)引起注意；另外，單支座形式最為不利，達(dá)桿系模型的1.22倍。

2.2 橫向正應(yīng)力

圖4分別為三維實體模型一(雙支座模型)、三維實體模型二(單支座模型)，在2#墩的橫橋向截面上緣正應(yīng)力圖。桿系單元由于不能提取橫向的應(yīng)力，不能列出。

圖4 2#墩橫橋向截面上緣正應(yīng)力(單位:MPa)

由圖4可見：

(1)支座形式改變了箱梁橫隔梁的受力形式。在單支座形式時，與兩側(cè)帶懸臂梁的受力形式相似；而雙支座時，主要表現(xiàn)為簡支梁兩側(cè)帶懸臂梁的受力形式。

(2)三維實體單支座模型3.17MPa/三維實體雙支座模型1.13MPa=2.81倍。單支座情況下，在橫向的效應(yīng)增大幅度很大，在設(shè)計時應(yīng)引起足夠的重視。

3 結(jié)論

以實際工程為背景，建立三維有限元模型，對支座布置對連續(xù)梁橋橫向正應(yīng)力及縱向正應(yīng)力進(jìn)行分析研究，得到了在自重及二期恒載的作用下，單支座及雙支座的不同布置形式對橫向正應(yīng)力及縱向正應(yīng)力均有較大的影響，尤其以單支座更偏于不利。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用桿系模型，將難以考慮支座不同形式對結(jié)構(gòu)的影響，且偏于不安全，應(yīng)引起足夠的重視，結(jié)合三維有限元模型計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。