大跨度連續(xù)箱梁主墩頂0#塊有限元模擬分析

張 偉

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

采用對(duì)稱節(jié)段懸臂澆筑施工[1-2]的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，在施工過程中需進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，經(jīng)過一系列施工階段逐漸形成最終的連續(xù)梁體系[3-6]。施工過程中0#塊臨時(shí)固結(jié)于墩頂，向兩端逐節(jié)段對(duì)稱懸澆，形成T形剛構(gòu)受力狀態(tài)，合龍后拆除臨時(shí)固結(jié)形成連續(xù)梁橋。恒載產(chǎn)生的內(nèi)力由各個(gè)施工階段產(chǎn)生的內(nèi)力疊加而成，連續(xù)梁根部主墩頂截面彎矩很大，跨中截面彎矩小，因此，截面尺寸根據(jù)彎矩分布特點(diǎn)從跨中至根部逐漸變高。大跨度變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，通常考慮采用三向預(yù)應(yīng)力體系，0#塊內(nèi)力大、梁體高、鋼筋分布密集、預(yù)應(yīng)力鋼束分布集中，同時(shí)受橫隔梁與人洞等結(jié)構(gòu)影響，受力復(fù)雜[7-10]，施工控制難度大。本文對(duì)某主跨90 m的三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁0#塊進(jìn)行局部受力分析，探討受力薄弱點(diǎn)，并提出處理措施，為其他類似工程提供參考。

2 工程概況

江門市某在建大橋主橋采用(55+90+55)m跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，掛籃懸澆施工，邊中跨比值為0.61。箱梁采用C55混凝土，單箱單室斷面，頂板寬為13 m，底板寬為7 m，兩側(cè)懸臂翼緣板長為3 m；箱梁根部梁高為5.3 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高為2.5 m，箱梁梁高按2次拋物線變化；箱梁腹板厚度1～7號(hào)塊為70 cm，8號(hào)塊腹板厚為70～50 cm，9～11號(hào)塊腹板厚為50 cm；箱梁頂板厚為28 cm；箱梁底板厚度變化采用2次拋物線，由箱梁根部80 cm漸變到跨中30 cm；邊跨現(xiàn)澆段底板厚度為30 cm，腹板厚度由50 cm漸變到70 cm。箱梁橫坡由腹板高度調(diào)整，頂板橫向設(shè)置2%的橫坡，底板保持水平。0#塊一般構(gòu)造如圖1所示。

圖1 0#塊橫斷面示意(單位：mm)

箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，預(yù)應(yīng)力鋼束采用Φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa。頂板鋼束布置以平彎線型為主，錨固端附近采用局部豎彎，分批錨固在箱梁腋托內(nèi)；腹板鋼束布置以豎彎線型為主，分批錨固在箱梁腹板內(nèi)；底板鋼束采用平、豎彎結(jié)合布置。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于箱梁腹板內(nèi)，在箱梁頂板上進(jìn)行單端張拉，采用二次張拉錨固體系。橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于箱梁頂板內(nèi)，在箱梁懸臂端部上進(jìn)行交替單端張拉。

3 有限元建模分析

3.1 分析的目的及要求

懸臂澆筑的連續(xù)梁橋?yàn)闊o支架施工方式，施工便捷且經(jīng)濟(jì)。懸臂澆筑連續(xù)梁橋的0#塊作為主要承重部分，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，在施工伊始便作為構(gòu)件承受荷載且歷經(jīng)數(shù)次結(jié)構(gòu)體系的變化，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，局部甚至存在3向受拉的情況，對(duì)抗裂性要求較高,并且0#塊在懸臂澆筑的施工過程中是應(yīng)變監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部位，需要有精確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果作為指導(dǎo)[10]。在設(shè)計(jì)中通常采用的梁單元計(jì)算的分析結(jié)果在該部位難以反應(yīng)局部應(yīng)力情況,因此，有必要進(jìn)行空間實(shí)體分析，指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

實(shí)體分析模型能夠直觀反應(yīng)橋梁在各種狀態(tài)下的各部位應(yīng)力狀態(tài)。本文以實(shí)際工程為背景，分析在施工最大懸臂狀態(tài)下零號(hào)塊縱向、橫向及豎向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力等受力情況。

3.2 建立有限元模型

對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行局部受力分析時(shí)，可采用梁單元進(jìn)行整體計(jì)算，取局部單元剖面上的內(nèi)力及位移，作用于局部單元端截面進(jìn)行局部分析[11-12]。根據(jù)彈性力學(xué)的圣維南原理[13-14]可知，0#塊的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，遠(yuǎn)離0#塊的區(qū)域中的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)0#塊的應(yīng)力分布影響很小，一般可忽略不計(jì)。故本次局部計(jì)算分析采用Midas FEA有限元軟件，選取0#～2#節(jié)段建立三維實(shí)體模型進(jìn)行空間應(yīng)力分析。整體計(jì)算模型見圖2，局部實(shí)體有限元分析模型及邊界條件見圖3，局部模型預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖4。

圖2 整體計(jì)算模型示意

圖3 0#塊實(shí)體有限元模型示意

圖4 局部模型預(yù)應(yīng)力鋼束布置示意

局部分析模型在模型建立范圍內(nèi)考慮的荷載情況：

① 自重，軟件自動(dòng)考慮；

② 二期恒載：局部計(jì)算分析模型里面將二期恒載處理為面壓力荷載進(jìn)行加載；

③ 防撞護(hù)欄荷載：模型內(nèi)采用面壓力荷載的方式進(jìn)行加載；

④ 預(yù)應(yīng)力荷載：局部分析模型內(nèi)建立該局部范圍內(nèi)的所有預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束均采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線，按實(shí)際張拉控制力施加；

⑤ 邊界荷載：根據(jù)Midas Civil整體計(jì)算模型提取2#塊端面位置在短期荷載工況組合[15-16]下的軸力、剪力和彎矩包絡(luò)結(jié)果，邊界內(nèi)力加載方式為在斷面質(zhì)心位置建立節(jié)點(diǎn)，并與該斷面上所有其他的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性連接，然后在該節(jié)點(diǎn)上加載提取出的邊界荷載，邊界荷載值見表1，邊界荷載加載示意見圖5。

表1 邊界荷載結(jié)果

圖5 局部模型邊界荷載加載示意

3.3 0#塊局部應(yīng)力有限元分析結(jié)果

利用Midas FEA有限元軟件建立實(shí)體三維模型，可以得到任意單元與節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大小，提取縱、橫、豎向應(yīng)力、主應(yīng)力，分析0#塊應(yīng)力集中狀況。本文針對(duì)正常使用極限狀態(tài)工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3.1縱向正應(yīng)力

由0#塊縱向應(yīng)力云示意(見圖6)可以看出，整個(gè)0#塊縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中有98.9%的計(jì)算結(jié)果數(shù)值為0.42～-12.29 MPa，最大拉應(yīng)力數(shù)值為1.57 MPa，最大壓應(yīng)力數(shù)值為16.91 MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫隔板上，最大壓應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)在支點(diǎn)附近以及端面處底板的角點(diǎn)附近。

圖6 0#塊縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云示意(單位：MPa)

3.3.2橫向正應(yīng)力

由0#塊橫向應(yīng)力云示意(見圖7)可以看出，整個(gè)0#塊橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中有98.3%的計(jì)算結(jié)果數(shù)值在1.29～-4.83 MPa之間，0#塊橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中最大拉應(yīng)力結(jié)果為1.97 MPa，最大壓應(yīng)力結(jié)果為8.90 MPa，拉應(yīng)力值主要出現(xiàn)在支點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)的外腹板和翼緣板交界處以及1#塊底板附近，最大壓應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)在支點(diǎn)附近。

圖7 0#塊橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云示意(單位：MPa)

3.3.3豎向正應(yīng)力

由0#塊豎向應(yīng)力云示意(見圖8)可以看出，整個(gè)0#塊豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中有96.9%的計(jì)算結(jié)果在0.98～-5.43 MPa之間，其中最大拉應(yīng)力數(shù)值為3.54 MPa，最大壓應(yīng)力數(shù)值為16.97 MPa，最大拉應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)在橫隔板人洞附近，而最大壓應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)在支點(diǎn)附近。

圖8 0#塊豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云示意(單位：MPa)

3.3.4最大主拉應(yīng)力

由0#塊主拉應(yīng)力云示意(見圖9)可以看出，整個(gè)0#塊主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中有96.2%的計(jì)算結(jié)果在1.78～-2.47 MPa之間，其中最大拉應(yīng)力數(shù)值為3.60 MPa，最大壓應(yīng)力數(shù)值為6.11 MPa，最大拉應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)在橫隔板人洞附近，而最大壓應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)在支點(diǎn)附近。

圖9 0#塊最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云示意(單位：MPa)

3.3.5最大主壓應(yīng)力

由0#塊主壓應(yīng)力云示意(見圖10)可以看出，整個(gè)0#塊豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中有99.2%的計(jì)算結(jié)果在0.01～-12.88 MPa之間，其中最大拉應(yīng)力數(shù)值為0.01 MPa，最大壓應(yīng)力數(shù)值為22.90 MPa，最大壓應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)在支點(diǎn)附近。

圖10 0#塊最大主壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云示意(單位：MPa)

3.3.60#塊橫隔板處橫向剖斷面應(yīng)力結(jié)果

縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在橫隔板上，且基本沿著人洞呈圓形狀態(tài)分布(見圖11～12)；支點(diǎn)處橫隔板橫向剖斷橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，拉應(yīng)力數(shù)值主要出現(xiàn)在支點(diǎn)處翼緣板與外腹板的交界處(見圖13～14)；豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在支點(diǎn)處，且沿著腹板方向逐漸傳向頂板(見圖15～16)；最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，該剖斷面大部分位置均處于受壓狀態(tài)，在人洞側(cè)面區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了部分拉應(yīng)力(見圖17～18)；最大主壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，該剖斷面大部分位置均處于受壓狀態(tài)(見圖19～20)。

圖11 0#塊橫隔板橫向剖面縱向應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖12 0#塊橫隔板橫向剖面縱向應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖13 0#塊橫隔板橫向剖面橫向應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖14 0#塊橫隔板橫向剖面橫向應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖15 0#塊橫隔板橫向剖面豎向應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖16 0#塊橫隔板橫向剖面豎向應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖17 0#塊橫隔板橫向剖面最大主拉應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖18 0#塊橫隔板橫向剖面最大主拉應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖19 0#塊橫隔板橫向剖面最大主壓應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖20 0#塊橫隔板橫向剖面最大主壓應(yīng)力云示意(單位：MPa)

4 結(jié)語

1)采用Midas Civil進(jìn)行整體計(jì)算，得到局部內(nèi)力，采用Midas FEA進(jìn)行局部計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程設(shè)計(jì)分析的精度需要，可以較好指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

2)由于未考慮普通鋼筋的作用，在局部應(yīng)力集中位置出現(xiàn)應(yīng)力超限情況，在設(shè)計(jì)與施工過程中應(yīng)特別注意橫隔板、人洞、支撐點(diǎn)、外腹板與翼緣板交界等部位普通鋼筋的設(shè)置。

3)在頂板出現(xiàn)較大橫向拉應(yīng)力，腹板出現(xiàn)較大豎向拉應(yīng)力，設(shè)置橫向、豎向預(yù)應(yīng)力是合理。

4)人洞周圍應(yīng)力集中明顯，注意加強(qiáng)人洞環(huán)筋的設(shè)置，施工過程加強(qiáng)控制，保證施工質(zhì)量。

5)支座附近底板由于所受壓力較大，會(huì)在支點(diǎn)附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，故應(yīng)該重視該處的局部承壓計(jì)算，防止混凝土結(jié)構(gòu)被壓壞。

6)大跨徑連續(xù)箱梁0#塊受力復(fù)雜，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。