大跨連續梁中橫梁橫向鋼束對人孔受力的影響分析

尹 華，李 煉

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引 言

在連續梁設計時，為了滿足檢修功能，通常會在0號塊中橫梁處設置人孔。對于很多大跨連續梁結構，0號塊的空間形狀十分復雜。在0號塊范圍內，有沿橋跨方向變化的頂板、底板和腹板，并且在各個板件之間設置了不同形狀的承托和倒角，各板件的受力分布很不均勻[1]。同時，由于設置人孔，在人孔周邊會出現更為復雜的應力狀態。在橋梁設計時，為準確把握該部位的應力分布情況，通常對0號塊人孔進行單獨分析。

本文結合工程實例，通過MIDAS CIVIL 對橋梁整體受力情況進行分析，同時根據圣維南原理，采用“把梁單元進行整體計算所得內力和位移作為局部切開處的內力和位移邊界條件”的方法，提取整體計算中的結果，采用ANSYS 軟件，提取0號塊人孔局部結構進行實體分析[2]。

1 工程概況

某工程新建橋梁上部結構采用60 m+105 m+105 m+60 m 連續梁結構。上部結構總寬17.7 m，采用單箱雙室結構，施工時采用掛籃懸臂施工。橋梁的橋型布置如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

由于橋墩高度不高（4.5～10 m），14號墩采用固結墩，13號和15號墩設置支座。上部結構按照全預應力設計，采用縱向、橫向和豎向三項預應力體系。

主橋上部結構采用60 m+105 m+105 m+60 m 連續梁結構，14號墩墩梁固結，13、15號墩設置支座，12、16號墩為過渡墩。主梁采用C60 混凝土。橋寬17.7 m，采用單箱雙箱型斷面，其中箱寬12 m，兩側懸臂各長2.85 m。腹板采用直腹板。主梁根部梁高6.3 m，跨中及邊跨端部梁高為2.8 m。主橋0號塊中橫梁高6.3 m，厚3 m，中橫梁與頂板和底板相交處均設置加腋，為方便以后檢修，在中橫梁處設置人孔。人孔為橢圓形，人孔高1.6 m、寬1 m，人孔中心距離中腹板邊1.775 m，人孔底部距底板底1.75 m。為改善人孔周邊局部受力，在人孔上下各設置了15 根φs15.2-3 的鋼束，鋼束平行于頂底板，采用交錯單端張拉，均為直線線形。中橫梁人孔橫斷面如圖2 所示。

圖2 中橫梁人孔橫斷面圖（單位：cm）

2 計算建模

2.1 整體模型

采用MIDAS CIVIL 建立全橋單梁整體模型[3]。建模時，全橋上下部整體建模。上部結構采用變截面三維空間梁單元模擬；橋墩單元采用等截面三維空間梁單元；樁基采用圓形截面梁單元，同時設置土彈簧來模擬土層的約束作用。全橋模型設置時考慮各個懸臂施工階段，同時對施工掛籃荷載進行模擬。全橋共劃分622 個空間梁單元，677 個節點。全橋空間模型如圖3 所示。

圖3 MIDAS 單梁模型圖

2.2 0號塊人孔局部實體建模

整體計算結束后，提取運營狀態下14號固結墩和13號支座墩的內力，分別對兩種不用約束條件下的0號塊人孔應力進行分析。

在進行0號塊空間應力分析時，根據圣維南原理，建模時應選取除包括0號塊本身梁段外的一定范圍的梁段[4]。分析時根據箱梁尺寸，各往外選取1 個梁段范圍的梁段（即1號塊位置），同時對固結墩建立橋墩模型，對支座墩建立支座約束模型。限于篇幅，本文主要給出支座墩13號墩的0號塊人孔分析。

采用ANSYS 建模時，箱梁和橋墩模型采用solid95號單元，鋼束采用link8 單元，共劃分61 552個單元，92 944 個節點。為簡化分析，不考慮普通鋼筋的作用。鋼束采用Link8 單元，link8 單元與solid95單元之間采用約束方程，將link8 單元節點與離其最近的solid95 單元節點進行耦合。0號塊局部分析模型如圖4 所示。

圖4 0號塊實體模型圖

施加荷載時，為將MIDAS CIVIL 中整體模型的內力施加在實體模型上，需要在實體模型梁端建立質量單元mass21，然后將該單元與梁端截面上各個點之間采用剛臂進行連接，進而在質量單元上施加的節點內力就可以轉化到梁端截面上。建模時質點位于節段兩端截面的重心處。質量單元設置如圖5所示。

圖5 梁端ma s s 21 單元剛臂圖

2.3 計算參數選擇

（1）邊界條件

梁底建出支座，支座底約束住平動方向，釋放轉動方向的約束。

（2）材料

主梁采用C60 混凝土，預應力鋼束采用鋼絞線。材料參數見表1。

表1 材料參數

（3）荷載

鋪裝荷載：按照10 cm 瀝青鋪裝荷載，在梁頂面按照均布荷載施加。

梁端內力：讀取MIDAS 整體模型中對應該實體模型梁端位置頻遇組合下的內力，選取某一工況下彎矩和剪力均較大的內力值（見表2）。

表2 梁端內力值

車道荷載：對應在MIDAS 整體模型中，查看該工況下的車道影響線分布，按照車道的布置形式，將車道荷載轉化為均布力施加在梁頂面。

2.4 計算工況

為了分析不同尺寸人孔周邊應力的分布情況，按照以下三個工況分析：

工況1：人孔尺寸0.8 m×1.6 m(寬×高)。

工況2：人孔尺寸0.8 m×1.2 m(寬×高)。

工況3：人孔尺寸0.8 m×1.0 m(寬×高)。

3 分析結果

根據實體模型，查看3 種工況下中橫梁人孔周邊應力分布（見圖6 至圖11）。

圖6 中橫梁中心主拉應力云圖（工況一）（單位：MP a）

圖7 中橫梁中心主壓應力云圖（工況一）（單位：MP a）

圖8 中橫梁中心處主拉應力云圖（工況二）（單位：MP a）

圖9 中橫梁中心處主壓應力云圖（工況二）（單位：MP a）

圖10 中橫梁中心處主拉應力云圖（工況三）（單位：MP a）

圖11 中橫梁中心處主壓應力云圖（工況三）（單位：MP a）

中橫梁應力分析結果對比見表3。

表3 中橫梁人孔周邊應力分析結果對比表

根據箱梁C60 混凝土標號，全預應力結構頻遇組合下混凝土截面最大拉應力容許值為σtp≤0.4 ftk=0.4×2.85=1.14 MPa；最大壓應力容許值為σcp≤0.6 fck=0.6×38.5=23.1 MPa。

由上述應力云圖及數值表可知，在成橋運營狀況下：

工況1 時，中橫梁人孔上部約有一半的范圍內出現了拉應力，最大主拉應力約1.1 MPa；主壓應力分布呈下大上小趨勢，最大主壓應力約6.9 MPa。

工況2 時，中橫梁人孔周邊大部分都是壓應力，僅局部很小的范圍內出現了拉應力，最大主拉應力約0.4 MPa；主壓應力分布呈下大上小趨勢，最大主壓應力約5.2 MPa。

工況3 時，中橫梁人孔周邊幾乎全部是受壓狀態，最小壓應力約0.5 MPa；主壓應力分布呈下大上小趨勢，最大主壓應力約5.2 MPa。

4 結 語

綜上，本文以實際工程為例，采用ANSYS 對0號塊進行實體分析。通過對不同尺寸的人孔進行分析計算，得到了人孔周邊的應力分布情況。

計算結果表明，0號塊中設置人孔，人孔上緣更容易出現拉應力。在人孔寬度不變的情況下，人孔越大，人孔周邊出現拉應力的范圍越大；人孔越小，人孔周邊出現壓應力的范圍越大。人孔周邊最大壓應力主要取決于人孔距離底板的距離，如人孔底距離底板距離不變，人孔周邊最大主壓應力值隨人孔高度變化較小。

故在工程設計時，在需要設置人孔的情況下，可以適當減小人孔尺寸，可以通行檢修即可。較大的人孔尺寸，人孔周邊可能會出現較大和較多范圍的拉應力，不利于整個0號塊的受力。