郝 強(qiáng) 劉文會(huì)

(吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

1 概況

重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋結(jié)構(gòu)形式采用1 103.5 m長(zhǎng)聯(lián)大跨徑鋼混凝土混合連續(xù)鋼構(gòu)與連續(xù)梁組合體系.橋跨布置為86.5 m+3×138 m(連續(xù)梁)+138+330+104.5m(連續(xù)剛構(gòu)).為了減輕自重,改善結(jié)構(gòu)受力,橋梁主跨采用鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合結(jié)構(gòu)形式[1](如圖1所示).

圖1 重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋橋型布置(單位:cm)

組合結(jié)構(gòu)是指由受力性質(zhì)不同的建筑材料組成,在荷載作用下具有整體作用的結(jié)構(gòu).與鋼梁相比,組合梁可以減少用鋼量,降低沖擊系數(shù),增加剛度、穩(wěn)定性和整體性[2].基于以上組合梁優(yōu)點(diǎn),我們擬定新的結(jié)構(gòu)形式:將重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋主跨中的108 m鋼梁部分換成鋼-混凝土組合梁,而邊跨(或伸入主跨一部分) 的梁體仍為混凝土梁.原橋結(jié)構(gòu)和新擬定結(jié)構(gòu)的基本形式如圖2所示.為了驗(yàn)證主跨采用組合結(jié)構(gòu)的可能性，對(duì)組合梁與混凝土梁的接頭進(jìn)行分析，并與原結(jié)構(gòu)接頭的受力進(jìn)行對(duì)比.

圖2 重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋主跨實(shí)際結(jié)構(gòu)形式和新擬定結(jié)構(gòu)形式比較

2 MIDAS CIVIL有限元建模

2.1 計(jì)算模型

上部結(jié)構(gòu)中主跨箱梁墩頂梁高16 m,跨中梁高4.5 m,呈二次拋物線變化.箱梁底板寬9 m,雙側(cè)對(duì)稱懸臂5 m,頂板全寬19 m.主跨330 m,中部108 m采用組合梁,其余各節(jié)段及邊跨均采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu).北岸現(xiàn)澆段1號(hào)～3號(hào)橋墩及4號(hào)過渡梁也采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土梁.其中,除4號(hào)墩頂梁高為5 m外,其余墩頂梁高為8 m[3].

下部結(jié)構(gòu)中1～4號(hào)橋墩為矩形空心橋墩,1號(hào),2號(hào)橋墩墩頂設(shè)置活動(dòng)支座,其余橋墩與主梁固結(jié).5號(hào),7號(hào)橋墩為雙壁實(shí)體鋼筋混凝土橋墩,Midas civil全橋有限元模型如圖3,圖4所示.

圖3 新擬定結(jié)構(gòu)全橋模型

組合梁 鋼箱梁圖4 新擬結(jié)構(gòu)組合梁與原橋鋼箱梁的主跨截面

2.2 地震效應(yīng)計(jì)算

本橋所在地的場(chǎng)地為I類場(chǎng)地,地震基本烈度為VI度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照VII設(shè)防,分區(qū)特征周期為0.35,對(duì)該橋采用前40階陣型利用CQC方法進(jìn)行疊加,橋梁基本阻尼系數(shù)為0.02.

采用反應(yīng)譜法同時(shí)考慮3個(gè)正交方向(水平向X,橫橋向Y和豎向Z)的地震作用.可分別單獨(dú)計(jì)算X向地震作用產(chǎn)生的最大效應(yīng),Y向地震作用產(chǎn)生的最大效應(yīng)與Z向地震作用的最大效應(yīng).總的設(shè)計(jì)取地震作用下最大偶然荷載組合(如表1所示).工況1,2分別為E1地震作用下的偶然組合接頭處計(jì)算的內(nèi)力.

表1 荷載工況

圖5 鋼-組合梁結(jié)合段網(wǎng)格劃分后計(jì)算模型

3 Ansys三維有限元分析

3.1 計(jì)算模型

采用ANSYS建立原橋鋼箱梁接頭和新擬定的結(jié)構(gòu)的接頭有限元模型.根據(jù)圣維南原理,取橋梁縱向18 m長(zhǎng)隔離體作為分析對(duì)象,其中,混凝土梁段10 m,鋼梁段8 m,二者結(jié)合部分1.5 m.模型中混凝土結(jié)構(gòu)用SOLID 45實(shí)體單元模擬，鋼板和PBL板用SHELL 63單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線用LINK 8模擬.計(jì)算模型將材料視為勻質(zhì)彈性體,以彈性模量和泊松比表示結(jié)構(gòu)的材料特性.混凝土的彈性模量和泊松比分別為3.6 E 4MPa與0.17;鋼的彈性模量和泊松比分別為2.1 E 5 Mpa與0.3;預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模型為1.9 E 5 MPa.預(yù)應(yīng)力采用溫度法施加,預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土間的粘結(jié)作用采用自由度耦合辦法.建立以x軸為縱向;y軸為橋高度方向;z軸為橋橫向的坐標(biāo)系.鋼-組合梁結(jié)合段網(wǎng)格劃分后計(jì)算模型如圖5所示.

3.2 邊界條件及荷載的施加

(1) 邊界條件. 將計(jì)算模型中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁一側(cè)斷面固結(jié),組合梁一側(cè)斷面假定為平截面變形,以剛性域的方法形成剛性面,然后在該剛性面的中性軸上施加表1中的荷載；

(2) 加載方法. 固定模型中混凝土最外梁端橫截面上所有節(jié)點(diǎn)的自由度,即使這個(gè)截面成為固定端.再在模型中的另外一端施加荷載:在另外一端組合梁橫截面的形心上創(chuàng)建一個(gè)主節(jié)點(diǎn),用mass 21單元賦予這個(gè)主節(jié)點(diǎn),然后把這個(gè)截面上所有的節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)用CERIG命令耦合這些節(jié)點(diǎn)所有的轉(zhuǎn)角和位移,形成剛性域.最后在這個(gè)主節(jié)點(diǎn)上分別施加表1中的兩種工況下的荷載.

4 計(jì)算結(jié)果及分析比較

對(duì)兩種接頭中填充的混凝土箱梁一側(cè)的腹板和底板做沿z軸正應(yīng)力的對(duì)比分析[4],應(yīng)力單位為MPa,應(yīng)力負(fù)號(hào)為壓應(yīng)力,正號(hào)為拉應(yīng)力.

圖6和圖7分別為兩種接頭混土梁的腹板與底板混凝土正應(yīng)力對(duì)比.

圖6 兩種接頭腹板混凝土應(yīng)力

圖7 兩種接頭底板混凝土應(yīng)力

5 結(jié)論

接頭結(jié)構(gòu)中混凝土應(yīng)力的安全范圍在-30 MPa～3 MPa之間.新擬定的結(jié)構(gòu)接頭中填充的混凝土受力比較均勻,主跨中鋼箱梁換成組合梁結(jié)構(gòu)的自重增加,所以新擬定結(jié)構(gòu)接頭應(yīng)力比鋼-混凝土接頭應(yīng)力稍大.

通過圖表可以看出,在腹板根部與頂部折角處有小區(qū)域應(yīng)力集中，在圖7中底板曲線呈現(xiàn)波浪是底板中裝有PBL板造成的.

通過以上計(jì)算和結(jié)果對(duì)比,組合—混凝土接頭中剛度變化較大的接頭-組合梁接觸面上的混凝土,絕大部分應(yīng)力都在-30 MPa～3 MPa之間,因此,組合-混凝土接頭在E1地震作用下的整體安全性是可靠的.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王軍文,倪章軍,李建中,孫峻嶺.石板坡長(zhǎng)江大橋鋼混結(jié)合段局部應(yīng)力分析[J].公路交通科技,2006,28(6)：32-36.

[2] 聶建國(guó).鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社,2011：1-2.

[3] 唐建華,向中富,馮 強(qiáng),代 彤,李 斌.特大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋研究與實(shí)踐-重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋[M].北京:人民交通出版社,2008:241-252.

[4] 華渝生.重慶石板坡長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋工程[M].重慶:重慶出版社,2008:1091-1092.