張樹(shù)清

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 合肥 230088)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，跨徑適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于30～300 m跨徑，具有整體性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，更突出的是其在使用時(shí)，主梁變形撓曲線(xiàn)平緩、橋面伸縮縫少、行車(chē)舒適，施工方法成熟，造價(jià)相對(duì)較低。連續(xù)剛構(gòu)橋與同等跨徑連續(xù)梁橋比，內(nèi)力較小，不需要支座，一般僅適用于大跨高墩情況。連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩分擔(dān)部分梁體彎矩，橋墩為壓彎構(gòu)件，受橋墩剛度約束，溫度、收縮徐變產(chǎn)生的附加內(nèi)力比連續(xù)梁橋大，隨著墩高增大(抗推剛度減小)，協(xié)調(diào)變形能力增強(qiáng)，附加內(nèi)力隨之減小，一般僅適用于墩高大于20 m梁橋。

1 工程概況

某橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用80 m+140 m+80 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，箱梁采用C55混凝土。橋梁雙幅設(shè)置，單幅橋面寬度13.0 m，采用單箱單室大懸臂變截面混凝土連續(xù)箱梁。箱梁頂板寬度12.5 m，底板寬度7.0 m，懸臂長(zhǎng)度2.75 m。合龍段及邊跨端部9.0 m現(xiàn)澆段梁高3.5 m，梁高變化采用2.0次拋物線(xiàn)。V形支撐斜腿與主梁固結(jié)處梁高7.0 m，V形支撐上部跨中梁高6.0 m，托頂梁高度變化采用1.6次拋物線(xiàn)。跨中箱梁底板厚度為32 cm，墩梁固結(jié)處底板厚90 cm，在梁高變化段內(nèi)，底板厚度變化采用2.0次拋物線(xiàn)；頂板厚度不變，為28 cm，箱梁腹板厚采用分段等厚規(guī)律變化，0號(hào)～7號(hào)塊腹板厚80 cm，9號(hào)～12號(hào)塊腹板厚65 cm，14號(hào)～17號(hào)塊及合龍段、邊跨現(xiàn)澆段腹板厚50 cm。箱梁橫坡由腹板高度調(diào)整，底板保持水平，頂板橫向設(shè)置2.0%的橫坡。

主墩采用V形實(shí)體墩，V墩兩斜肢截面為鋼骨混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)，兩斜肢與豎直線(xiàn)的夾角為350°，斜肢橫橋向?qū)挾扰c箱梁底板寬度相同為7.0 m，撐體厚度為1.6 m，設(shè)置10 cm倒角。V撐與主梁梁底交接處采用圓弧過(guò)渡；同時(shí)為了避免剛度產(chǎn)生較大的突變，V形墩與承臺(tái)固結(jié)處設(shè)置實(shí)體段，寬度5.0 m；與承臺(tái)交接處V墩設(shè)置1 m×1 m的倒角。圖1為連續(xù)剛構(gòu)橋總體布置圖。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋總體布置圖(單位：高程，m；尺寸，m)

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算參數(shù)

箱梁混凝土采用C55混凝土，彈性模量Ec=3.55×104MPa,泊松比νc=0.2，溫度線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.000 01 ℃-1，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=35.5 MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.74 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=24.4 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)ftd=1.89 MPa[1]。

2.2 有限元模型

主墩為鋼筋混凝土構(gòu)件，墩高較矮，V形墩抗推剛度大，橋墩承受較大彎曲內(nèi)力，為考察V形墩安全性，須對(duì)其進(jìn)行局部分析計(jì)算。V形墩墩-梁固結(jié)區(qū)的構(gòu)造和應(yīng)力分布都較為復(fù)雜，根據(jù)全橋整體計(jì)算分析結(jié)果，選取整體計(jì)算最不利受力工況進(jìn)行局部分析計(jì)算。采用通用有限元軟件ANSYS建立墩-梁固結(jié)區(qū)的空間仿真計(jì)算模型。根據(jù)圣維南原理，墩-梁固結(jié)區(qū)的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的受力狀態(tài)有關(guān)，截取墩-梁固結(jié)區(qū)域一段模型進(jìn)行分析計(jì)算?？紤]計(jì)算機(jī)性能及結(jié)構(gòu)關(guān)于橋梁中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，為降低計(jì)算規(guī)模，選取1/2模型進(jìn)行分析計(jì)算。空間分析見(jiàn)圖2。

圖2 1/2“V”形墩空間分析模型

在盡量考慮模型邊界條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)近似的同時(shí)，對(duì)無(wú)法準(zhǔn)確模擬的邊界條件按偏于安全處理。根據(jù)全橋整體計(jì)算情況，提取有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條件，然后將其施加在局部分析有限元模型上[2]。局部分析的目的是研究該區(qū)域的應(yīng)力分布情況，在局部分析模型的梁端施加力的邊界條件，在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，在橋墩底面約束所有自由度。

3 荷載工況

3.1 計(jì)算工況

因橋梁規(guī)模較大，施工過(guò)程復(fù)雜，施工工況很多，針對(duì)每個(gè)施工工況都進(jìn)行墩-梁固結(jié)局部分析，耗時(shí)耗力。在局部分析中結(jié)合整體計(jì)算的工況結(jié)果，選取對(duì)結(jié)構(gòu)最不利工況進(jìn)行分析，計(jì)算出最不利加載工況下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，讀取此工況梁端截面內(nèi)力，以此內(nèi)力作為實(shí)體模型荷載邊界條件[3]。從主橋整個(gè)施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)階段荷載組合中選取最不利荷載工況，如表1所示。共考慮3種荷載工況:工況一，最大雙懸臂狀態(tài)，即邊中跨均未合龍；工況二，成橋狀態(tài)(彎矩最大)，即橋梁合龍后施加橋面二期荷載；工況三，正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合(彎矩最大)。

表1 各工況下梁端荷載

3.2 荷載施加

4 結(jié)果分析

按工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，分步計(jì)算得到其在所選取最不利工況下應(yīng)力分布，如圖3～圖5所示。應(yīng)力云圖中規(guī)定拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值；坐標(biāo)規(guī)定X軸為順橋向，Y軸為豎橋向，Z軸為橫橋向[5]。

圖3 工況一V形墩墩-梁固結(jié)區(qū)應(yīng)力及變形云圖(單位：應(yīng)力，MPa；變形，mm)

圖4 工況二V形墩墩-梁固結(jié)區(qū)應(yīng)力及變形云圖(單位：應(yīng)力，MPa；變形，mm)

圖5 工況三V形墩墩-梁固結(jié)區(qū)應(yīng)力及變形云圖(單位：應(yīng)力，MPa；變形，mm)

從圖3～圖5應(yīng)力及變形云圖可以看出：

工況一，橋梁施工到最大雙懸臂狀態(tài)，邊中跨均未合龍時(shí)，V形橋墩承受豎向壓力為主。墩-梁固結(jié)處順橋向應(yīng)力在-15.877～0.639 MPa之間，豎橋向應(yīng)力在-7.572～2.039 MPa之間。箱梁頂板受壓，壓應(yīng)力在-14.042～-3.031 MPa之間，箱梁底板受壓，壓應(yīng)力在-8.537～-4.866 MPa之間，V形墩箱梁跨中斷面正應(yīng)力在-12.76～-7.257 MPa之間,V形墩結(jié)構(gòu)局部最大變形11.63 mm,箱梁橫梁和頂板倒角處出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在0～2.039 MPa之間，局部最大2.039 MPa，小于規(guī)范C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.74 MPa；橋墩受壓，壓應(yīng)力在-6.504～-1.165 MPa之間。

工況二，橋梁施工到邊中跨合龍，施工橋面鋪裝、護(hù)欄及附屬設(shè)施完成時(shí)，V形橋墩承受豎向壓力為主。墩-梁固結(jié)處順橋向應(yīng)力在-15.614～0.628 MPa之間，豎橋向應(yīng)力在-4.448～1.944 MPa之間。箱梁頂板受壓，壓應(yīng)力在-13.81～-2.981 MPa之間，箱梁底板受壓，壓應(yīng)力在-8.395～-4.786 MPa之間，V形墩箱梁跨中斷面正應(yīng)力在-12.787～-6.931 MPa之間,V形墩結(jié)構(gòu)局部最大變形8.531 mm,箱梁橫梁和頂板倒角處出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在0～1.944 MPa，局部最大1.944 MPa，小于規(guī)范C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.74 MPa；橋墩受壓，壓應(yīng)力在-4.448～-2.317 MPa之間。

工況三，橋梁施工完成通車(chē)正常使用，V形橋墩承受豎向壓力為主。墩-梁固結(jié)處順橋向應(yīng)力在-14.461～0.579MPa之間，豎橋向應(yīng)力在-4.718～1.787 MPa之間。箱梁頂板受壓，壓應(yīng)力在-12.79～-2.763 MPa之間，箱梁底板受壓，壓應(yīng)力在-7.776～-4.434 MPa之間，V形墩箱梁跨中斷面正應(yīng)力在-12.003～-6.032 MPa之間,V形墩結(jié)構(gòu)局部最大變形8.032 mm,箱梁橫梁和頂板倒角處出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在0～1.787 MPa之間，局部最大1.787 MPa，小于規(guī)范C55混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.74 MPa；橋墩受壓，壓應(yīng)力在-4.718～-1.827 MPa之間。綜上所述，在最不利工況下，墩-梁固結(jié)區(qū)域最大主拉應(yīng)力2.039 MPa，小于規(guī)范中C55混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.74 MPa；最大主壓應(yīng)力-15.877 MPa小于規(guī)范中C55混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=35.5 MPa。

通過(guò)墩-梁固結(jié)區(qū)域計(jì)算分析，該區(qū)域局部應(yīng)力均小于混凝土抗拉和抗壓強(qiáng)度允許值。

5 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS 對(duì)V型剛構(gòu)橋墩-梁固結(jié)段建立了比較精細(xì)的有限元模型，施加荷載、位移約束等邊界條件后，進(jìn)行計(jì)算分析，提取計(jì)算結(jié)果繪出該區(qū)域應(yīng)力及變形云圖，三維有限元空間分析結(jié)果直觀反映出該構(gòu)件應(yīng)力分布情況。

計(jì)算結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)在多種不利工況作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形均滿(mǎn)足規(guī)范要求，受力表現(xiàn)良好，設(shè)計(jì)合理；局部區(qū)域拉應(yīng)力稍大，建議在滿(mǎn)足施工的條件下，在拉應(yīng)力比較大的箱梁橫梁與箱梁頂板交接倒角處，增加鋼筋網(wǎng)片布置，使應(yīng)力均勻擴(kuò)散。