連續剛構墩頂0號塊應力分析

摘要：根據圣維南原理，利用Midas FEA軟件建立連續剛構墩頂0號塊空間分析模型，進行空間應力分析。文章結合具體工程實例，通過分析最大懸臂狀態及成橋狀態下的主拉應力及主壓應力來總結0號塊在不同狀態下的應力分布規律，提出了0號塊設計與施工過程中的一些建議，為以后類似橋梁的設計提供一些參考。

[作者簡介]龔健根（1987—），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設計工作。

連續剛構橋又稱為墩、梁固結的連續梁橋。既有T型剛構橋的特點，又具有連續梁橋的優點，因此，在工程中得到了廣泛的應用[1]。在實際施工中大多采用懸臂澆筑施工，即在主墩墩頂搭設臨時支架，現澆墩頂0號塊并完成該節段相應的施工，然后在0號塊兩側安裝掛籃對稱澆筑下一節段混凝土。因此，墩頂0號塊對整座橋梁來說是十分關鍵的構件，但是，因為連續剛構橋為高次超靜定結構受力十分復雜，同時由于0號塊在施工初期就開始受力且空間結構十分復雜，各部分的應力分布不均勻，為保證其質量與結構的安全，本文結合鹿寨-欽州港公路（鹿寨至魚峰段）高速公路施工圖項目中某一座橋梁，對0號塊進行最大懸臂狀態及成橋狀態的空間應力分析，提出了0號塊設計與施工過程中的一些建議，為以后類似橋梁的設計提供一些參考。

1 工程概況

本橋于柳州市鹿寨縣江口鄉寶塔村青洲河段跨越柳江，依次經過柳江主航道、青洲、龍河洲等灘涂。橋址上距洛清江河口約1.8 km、紅花水利樞紐約22.2 km，下距大藤峽水利樞紐約191 km。橋址處在大藤峽水利樞紐回水變動區柳江鎖匙筒灘上，通航孔布置在鎖匙筒灘現行航道（左汊）。

柳江特大橋起點樁號K19+009.368，終點樁號K20+684.368，主橋采用（256+64+56+146） m獨塔雙索面混合梁-組合梁斜拉橋，2座主要引橋采用（45+80+45） m連續剛構，其余引橋采用預制梁。剛構橋采用分幅設計，單幅橋橋面構成為0.5 m護欄+11.75 m凈橋寬+0.5 m護欄=12.75 m，下部結構采用單肢空心薄壁墩。

2 構造尺寸及鋼束

2.1 構造尺寸

主墩墩頂上部梁高5.2 m，合龍段梁高2.5 m，箱梁頂板厚度0.3 m，跨中底板厚0.32 m，上部梁高和底板厚度均按2.0次拋物線漸變。箱梁腹板厚度1～4號梁段采用0.75 m， 5號梁段由0.75 m直線漸變到0.55 m，漸變段長度4 m，6～10號梁段采用0.55 m。0號塊采用實心，主墩采用空心薄壁墩。在邊跨端橫梁上設置一0.8 m×0.8 m的檢修預留孔。箱梁頂寬12.75 m，底寬7.05 m，頂板懸臂長度2.85 m，懸臂板端部厚0.2 m，根部厚0.75 m。箱梁頂橫坡同路線橫坡，底板水平，通過腹板高差調整。箱梁澆筑分段長度依次為10.0 m長0號段+4×3.5 m+5×4.0 m，邊、中跨合龍段長均采用2.0 m，邊跨現澆段長4.0 m。主墩箱型截面，橫橋向寬7.05 m，順橋向寬3.0 m，墩頂底分別設置2.0 m實心段，墩上部分壁厚0.5 cm，墩下部分壁厚0.8 cm，墩高40 m左右。基礎采用3.5 m承臺加4根1.8 m樁基礎的形式。橫截面尺寸及懸澆節段劃分示意如圖1～圖3所示。

2.2 鋼束

預應力鋼束采用情況詳見表1、表2。

3 模型建立及有限元分析

3.1 連續剛構全橋模型

連續剛構全橋模型見圖4。

（1）節點數量：115個。

（2）單元數量：112個。

（3）邊界條件數量：7個。

（4）施工階段數量：37個。

3.2 荷載工況及荷載組合

（1）自重。自重系數：-1.04。

（2）整體升降溫。

①整體升溫，25.0 ℃;②整體降溫，-25.0 ℃。

（3）徐變收縮。收縮齡期：3 650 d。

（4）支座沉降。主墩取10 mm沉降量，交接墩取5 mm沉降量。

（5）可變荷載。活載：汽車荷載，橋梁等級為公路Ⅰ級。

沖擊系數μ可按式計算：當f<1.5 Hz時，μ=0.05;當1.5 Hz≤f≤14 Hz時，μ=0.1767ln（f）-0.0157;當f>14 Hz時，μ=0.45;

根據規范，計算的結構基頻f=1.47 Hz，沖擊系數μ =0.050。

（6）二期恒載。包括橋面鋪裝10 cm瀝青，兩邊護欄，二期恒載取50.6 kN/m。

（7）制動力。工程結構龔健根： 連續剛構墩頂0號塊應力分析

按規范計算，其值為2.6 kN/m。

（8）風荷載。按JTG/TD 60-01-2004《公路橋梁抗風設計規范》，主體計算時縱風荷載為主墩（7.4 kN/m）、梁體（1.6 kN/m），均按梯度加載。橫向計算時橫風荷載為主墩（3.6 kN/m）、梁體（8.1 kN/m），均按梯度加載。

（9）荷載組合。Civil Designer按規范自動組合。

3.3 箱梁0號塊結構模型

利用Midas FEA軟件建立0號塊空間分析模型，根據圣維南原理：墩頂0號塊的空間應力狀態只與其附近范圍內的應力狀態有關，遠離結構的區域的應力狀態對其影響可以忽略不計。本次建立的模型包含了0號塊和0號塊相鄰梁段。實體模型如圖5所示。

根據0號塊結構尺寸，實體網格劃分單元尺寸為0.5 m，預應力鋼束網格劃分單元尺寸為1.0 m（圖6、圖7）。

4 應力分析

利用Midas FEA軟件建立0號塊空間分析模型，就可以計算出實體模型中任意單元和節點的應力大小，本文通過最大懸臂狀態及成橋狀態下的主拉應力及主壓應力來分析0號塊在不同狀態下的應力分布。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

4.1 最大懸臂狀態應力分析

由圖8可知，最大懸臂狀態下0號塊主壓應力值在-10.33～0.03 MPa之間（拉正壓負），0號塊以受壓為主，只有在橫隔板端部出現拉應力，最大拉應力為0.03 MPa，最大壓應力值10.33 MPa<0.7f′ck=20.328 MPa，滿足規范要求。

由圖9可知，最大懸臂狀態下0號塊主拉應力值在-2.39～0.64 MPa之間（拉正壓負），拉應力最大值0.64 MPa<1.15f′tk=2.58 MPa，滿足規范要求。

4.2 成橋狀態應力分析

由圖10可知，成橋狀態下0號塊主壓應力值在-23.27～0.07 MPa之間（拉正壓負），由于-23.27 MPa區域只占了0.3 %，可忽略。0號塊以受壓為主，主要在橫隔板出現拉應力，最大拉應力為0.07 MPa，有效最大壓應力14.5 MPa<0.5fck=17.75 MPa，，滿足規范要求。

由圖11可知，成橋狀態下0號塊主拉應力值在-5.43～1.13 MPa之間（拉正壓負），拉應力最大值1.13 MPa小于C55混凝土抗拉強度設計值1.89 MPa，滿足規范要求。

5 結束語

利用Midas FEA軟件建立0號塊空間分析模型，就可以得到實體單元的應力分布規律，得出結論：

（1）連續剛構墩頂0號塊構造復雜，且處于三向預應力作用下，應力分布規律較復雜，進行空間應力分析十分必要[2]。

（2）頂板主要處于壓應力作用下，分布規律是四周應力大、中部應力小，橫隔板與頂板相接處存在應力集中[3]。本橋頂板壓應力程度較低，不控制設計。

（3）最大懸臂狀態下0號塊以受壓為主，只有在橫隔板端部出現拉應力，但最大拉應力均滿足規范要求。

（4）成橋狀態下0號塊以受壓為主，主要在橫隔板出現拉應力，但最大拉應力均滿足規范要求。

（5）箱梁截面在橫隔板附近截面發生突變，容易造成應力集中，甚至出現混凝土被拉裂現象。設計及施工過程中建議采用以下措施：截面尺寸發生變化處，設置過渡段;容易產生應力集中處設置鋼筋網;優化墩頂鋼束配置或增設抗拉主筋;施工中采用分段分次澆筑混凝土并采取降溫措施，使0號塊得到充分養護，減小溫度應力，同時保證0號塊在受外力時混凝土強度達到規范要求。

參考文獻

[1] 劉效堯， 徐岳. 公路橋涵設計手冊：梁橋（第2版）[M].北京：人民交通出版社， 2011.

[2] 宮玉明. 連續剛構橋0號塊空間應力分析[J].公路交通科技， 2016， 33（6）：83-87，94.

[3] 呂全金. 連續剛構箱梁0號塊應力分析[J].工程技術， 2016， （9）：76-77.E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A