顏燕祥

(湖北工程學院 土木工程學院，湖北 孝感 432000)

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新型空腹剛構橋空腹區(qū)合理夾角的數(shù)值模擬

顏燕祥

(湖北工程學院 土木工程學院，湖北 孝感 432000)

新型空腹剛構橋是近年來由中交第二公路勘察設計研究院提出并申請專利的一種新橋型?？崭箙^(qū)下弦桿與橋墩間夾角α的取值，對墩、梁固結處的應力影響顯著，對空腹區(qū)的受力性能影響較大。本文運用有限元軟件ANSYS，對貴州北盤江特大橋空腹區(qū)的合理夾角選取進行數(shù)值模擬，并對空腹區(qū)主要構件的受力及合攏點撓度進行對比分析。研究結果表明，該橋型下弦桿與橋墩間夾角α取53°～60°時，空腹區(qū)的綜合力學性能指標相對較好，合攏點撓度亦最小。

空腹剛構橋；空腹區(qū)夾角；數(shù)值模擬；受力分析

新型空腹式剛構橋，是近年來中交第二公路勘察設計研究院提出并申請專利的一種新型的剛構橋。與一般開孔橋相比，新型空腹剛構橋空腹部分開孔高度大、下弦桿較長；通過在箱梁根部附近設置斜腿，加大了根部區(qū)域的結構剛度。作為墩梁固結的連續(xù)結構之一，新型空腹剛構橋能夠利用高墩的柔性適應由于預應力、溫度變化、混凝土收縮、徐變等引起的內(nèi)力與變形。新型空腹式剛構橋的空腹區(qū)兼具梁與拱的特點和優(yōu)勢,呈現(xiàn)出良好的力學性能[1]。此外，它具有與常規(guī)剛構橋相似的平衡懸臂施工特點，其運營維護費用少、工程造價低。新型空腹剛構橋的研究和應用，填補了加筋混凝土橋梁跨度在普通剛構橋(<220 m)和斜拉橋(>320 m)之間的空白，為山區(qū)公路橋梁建設增添了一種新途徑，具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景[1]。

目前，一些學者對新型空腹式剛構橋的施工過程受力分析[2]、設計參數(shù)影響和優(yōu)化[1，3]和抗震性能評價[4]等方面開展了少量研究，取得了初步的研究成果。研究表明，空腹式剛構橋空腹區(qū)下弦桿與橋墩間夾角的取值對墩、梁固結處的應力[1，3]影響顯著，對空腹區(qū)的力學性能影響較大；空腹區(qū)合攏點的撓度對該夾角變化敏感。因此，空腹區(qū)夾角的取值問題，對整座橋梁的安全和結構優(yōu)化設計具有顯著的影響。為此，本文以貴州北盤江特大橋工程為依托，選取空腹區(qū)不同夾角合攏時施工過程中空腹區(qū)的受力與合攏點撓度為判別依據(jù)，運用大型有限元分析軟件ANSYS，對新型空腹剛構橋的夾角取值問題進行優(yōu)化研究，提出該類橋空腹區(qū)夾角的合理取值范圍，為新型空腹式剛構橋的工程設計提供參考，有助于其推廣應用。

1 工程背景

中交第二公路勘察設計研究院設計的貴州省北盤江大橋(如圖1所示)是國內(nèi)第一座引入空腹式剛構橋設計理念的特型大橋，它位于貴州省六盤水市水城縣發(fā)耳鎮(zhèn)和營盤鄉(xiāng)交界處，北盤江為其界河，橋址水城岸(北岸)屬于發(fā)耳鎮(zhèn)躍進村石板寨，盤縣岸(南岸)屬于營盤鄉(xiāng)紅德村。北盤江大橋起點樁號K30+747.5，終點樁號K32+002.5，全橋長1261米。橋跨布置為(5×30 m)+(82.5 m+220 m+290 m+220 m+82.5 m)+(3×30 m)+(4×30 m)，其中主橋為82.5 m+220 m+290 m+220 m+82.5 m的預應力混凝土空腹連續(xù)剛構形式。

圖1 北盤江大橋示意圖

2 空腹區(qū)數(shù)值建模

依據(jù)該橋設計方案，空腹區(qū)上弦桿(箱梁)為變截面，下弦桿(箱梁)采用等截面。數(shù)值模擬軟件選用ANSYS，單元采用beam189單元[5-6]，建立空間變截面梁單元模型。數(shù)值建模流程如下：

1)自定義截面，根據(jù)橋梁節(jié)段施工的截面外形，通過命令流建立截面數(shù)據(jù)庫文件；

2)劃分面單元網(wǎng)格；

3)讀取截面數(shù)據(jù)庫文件，根據(jù)實際橋型，完成各個梁截面ID空間位置的定義。

根據(jù)上述步驟，建立北盤江特大橋7號墩(即圖1中墩高最高的橋墩)空腹區(qū)半邊結構的有限元模型(見圖3)。

Beam189是七自由度(分別為UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ和翹曲自由度)三節(jié)點高次梁單元，選取該單元模擬實際箱梁結構即節(jié)約內(nèi)存減少計算機運行時間，又可提高計算精度。超級梁單元的單元矩陣如式(1)所示。

(1)

考慮到空腹剛構橋空腹區(qū)在懸臂施工態(tài)時的受力較成橋狀態(tài)更為不利，本文選取該橋懸臂施工態(tài)時空腹區(qū)的受力和空腹區(qū)合攏點撓度作為判斷合理夾角的依據(jù)，通過選取空腹區(qū)不同合攏點和空腹區(qū)開孔高度，實現(xiàn)下弦桿與橋墩間不同夾角的優(yōu)選分析。

為方便建模和節(jié)約運算成本，建模分析時采用的基本假定如下：

1)利用對稱性，取空腹區(qū)的半邊結構分析；下弦桿線型采用以直代曲的方法；上、下弦桿截面形狀和材料參數(shù)與設計一致。計算簡圖如圖2所示。

圖2 空腹區(qū)模型簡化計算圖

2)有限元單元采用空間梁單元(即ANSYS中beam189單元)，如圖3所示。

圖3 空腹區(qū)簡化有限元模型

3)分析不同夾角空腹區(qū)力學性能時,各結構體系結構尺寸、材料及荷載標準均相同；空腹區(qū)合攏后主梁后澆段和掛籃自重以集中荷載(集中力和集中彎矩)形式施加在合攏點處。

4)依據(jù)北盤江特大橋7號橋墩空腹區(qū)的具體情況，采用兩類分析模型模擬夾角α的最優(yōu)取值。一是控制空腹區(qū)的開孔高度不變(分別取33 m、30.75 m、29 m、27 m)，改變空腹區(qū)水平段長度；二是保持空腹區(qū)水平段長度不變(分別取 56 m、45 m)，改變空腹區(qū)的開孔高度。

3 結果及分析

表1和表2分別為典型的控制空腹區(qū)開孔高度(30.75 m)和控制空腹區(qū)水平段長度(45 m)不變條件下，不同空腹區(qū)合攏夾角時，空腹區(qū)桿件內(nèi)力以及合攏點撓度的計算結果。由表1可知，空腹區(qū)各桿件內(nèi)力響應對空腹區(qū)夾角α的變化較為敏感。當固定空腹區(qū)開孔高度時，下弦桿根部最大壓應力、桿件最大拉應力和合攏點最大撓度均隨合攏夾角(34.33°～63.62°)增大而逐漸增大，但當夾角為55.63°時最大拉應力及合攏點最大撓度出現(xiàn)明顯陡降，而壓應力變化不明顯。最大壓應力位置由箱梁底面與墩固結處，最大拉應力位置則由上弦箱梁底板處變?yōu)轫敯逄?。由?可知，當固定空腹區(qū)水平段長度時，下弦桿最大壓應力、桿件最大拉應力和合攏點最大撓度均隨合攏時夾角(45°～65°)增加而不斷增大。最大壓應力與最大拉應力出現(xiàn)的位置保持不變，分別為下弦桿底板與墩固結處和下弦桿頂板與墩固結處。

表1 空腹區(qū)開孔高度為 30.75 m時計算結果

圖4、圖5、圖6分別繪制了空腹區(qū)不同開孔高度時下弦桿根部最大壓應力、桿件最大拉應力和合攏點最大撓度隨合攏夾角α的變化曲線圖。從圖中可以看出，在不同剛構橋空腹區(qū)開孔高度條件下，桿件極值應力和合攏點撓度隨合攏點夾角變化規(guī)律大致相同。下弦桿極值壓應力呈逐漸增加趨勢，在53°～60°范圍內(nèi)出現(xiàn)小幅度下降，但變化不明顯。而桿件極值拉應力和合攏點最大撓度在該范圍內(nèi)均出現(xiàn)明顯陡降，對于不同空腹區(qū)開孔高度，陡降時角度略有不同，且隨開孔高度增大而逐漸減小。

同理分析當空腹區(qū)開孔高度一定時，下弦桿根部最大壓應力、桿件最大拉應力和合攏點最大撓度隨合攏夾角的變化規(guī)律。由變化規(guī)律可知，當空腹區(qū)水平段長度為45 m時，桿件極值應力和合攏點最大撓度對合攏點夾角變化均不明顯。當空腹區(qū)水平段長度為56 m時，桿件極值應力和合攏點最大撓度均隨合攏點夾角增加而不斷增大，且當夾角大于65°時，增幅特別明顯。當水平段長度分別為45 m和56 m時，下弦桿極值壓應力隨夾角在50°～60°范圍內(nèi)相差不大。而拉應力和合攏點最大撓度對空腹區(qū)水平段長度變化較為敏感。因此，為了使空腹區(qū)綜合力學性能較好，空腹區(qū)水平段長度不宜過大，空腹區(qū)夾角宜為50°～60°。

表2 空腹區(qū)水平段長度為 45 m時計算結果

圖4 不同空腹區(qū)開孔高度時壓應力最大值隨夾角α的變化曲線圖

圖5 不同空腹區(qū)開孔高度時拉應力最大值隨夾角α的變化曲線圖

圖6 不同空腹區(qū)開孔高度時合攏點撓度最大值隨夾角α的變化曲線圖

4 結論

運用有限元分析軟件ANSYS，對新型空腹剛構橋空腹區(qū)合理夾角選取進行了數(shù)值模擬，著重分析了不同空腹區(qū)開孔高度和不同空腹區(qū)水平段長度時空腹區(qū)下弦桿最大壓應力、桿件最大拉應力和合攏點最大撓度隨合攏夾角α的變化規(guī)律，得出主要結論如下：

(1)高墩空腹剛構橋空腹區(qū)的下弦桿壓應力、桿件拉應力和合攏點撓度隨空腹區(qū)夾角α增大而逐漸增大。桿件拉應力和合攏點撓度在53°～60°范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯陡降，且陡降時角度隨開孔高度增大而逐漸減??；壓應力變化幅度則不明顯。

(2)空腹區(qū)水平段長度變化對空腹區(qū)拉應力和合攏點最大撓度影響較大，而對下弦桿最大壓應力影響則較小。

(3)空腹區(qū)下弦與墩之間的夾角α取值為53°～60°時，空腹區(qū)綜合力學性能較好。

(4)空腹區(qū)應力最危險位置為上弦與墩固結處、下弦根部和墩固結處及上下弦桿合攏點處，施工過程中應重點對該局部區(qū)域的應力進行監(jiān)測，保證空腹區(qū)在施工和運營過程中不至發(fā)生破壞。

[1] 顏燕祥.大型橋梁結構基于ANSYS的優(yōu)化分析與數(shù)值模擬[D].武漢：華中科技大學，2013.

[2] 韓紅舉.290m空腹式剛構橋三角區(qū)箱梁施工支架受力分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2011,30(3)：361-365.

[3] 盧斌，王凱華，李高超，等.設計參數(shù)對空腹式連續(xù)剛構橋關鍵截面內(nèi)力的影響[J].公路交通科技，2014,31(12)：73-77.

[4] 房慧明，龍曉鴻，樊劍，等.空腹式連續(xù)剛構橋抗震性能評價[J].武漢理工大學學報，2013，35(7)：89-93.

[5] Song H W, You D W, Byun K J, et al. Finite element failure analysis of reinforced concrete T-girder bridges [J].Computers and Structures,2002,24(2):151-162.

[6] 王新敏.ANSYS工程結構數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.

(責任編輯：熊文濤)

Numerical Simulation of Reasonable Angle of New Open-web Continuous Rigid Frame Bridge

Yan Yanxiang

(SchoolofCivilEngineering,HubeiEngineeringUniversity，Xiaogan，Hubei432000，China)

A type of new open-web continuous rigid frame bridge, has been proposed and applied for patent by CCCC Second Highway Consultants Co.Ltd in recent years. For open-web region, the angle α between its lower chord and pier has a significant impact on the stress of zoon and mechanical property of open-web region. In this paper, different angles of open-web region for bridge closure process are simulated based on Guizhou Beipanjiang Bridge, using ANSYS software, and the force and deformation of the major components of open-web region are contrasted and analyzed. The results show that mechanical performance of hollow region is relatively good and deflection of closure point is relative minimum when the angle α is among 53 ° to 60 ° for this type of bridge.

open-web continuous rigid frame bridge；the angle of open-web region；numerical simulation；mechanical analysis

2016-08-11

顏燕祥(1985- )，男，湖北大悟人，湖北工程學院土木工程學院講師，武漢大學博士研究生。

U445

A

2095-4824(2016)06-0082-05