刚构—连续组合梁桥空间应力分析
2020-10-05
来源:小侦探旅游网
・168・ 第41卷第8期 2 0 1 5年3月 SHANXI ARCHITECTURE 山 西 建 筑 Vo1.41 No.8 Mar. 2015 文章编号:1009—6825(2015)08・0168-03 刚构一连续组合梁桥空问应力分析 高 明 高红帅 (1.哈尔滨市市政道路桥梁工程设计所,黑龙江哈尔滨150000; 2.东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150000) 摘要:采用有限元分析软件桥梁博士和ANSYS建立某刚构一连续组合梁桥的平面杆系模型和空间实体模型,综合考虑汽车荷 载在纵桥向和横桥向最不利的加载位置,通过对三种不同组合作用下的空间应力进行分析,指出空间实体模型分析刚构一连续组 合梁桥的应力较符合实际情况。 关键词:刚构一连续组合梁桥,空间应力,平面杆系,空间实体 中图分类号:U441.5 文献标识码:A 刚构一连续组合梁桥是连续梁桥与连续刚构桥的组合,通常 杆系和空间实体有限元模型,综合考虑活载纵向和横向最不利的 分析在不同组合作用下平面模型和空间模型纵向应力 是在一联桥梁的中部数孔采用墩梁固结的刚构,边部数孔采用设 加载位置,置支座的连续结构…。主要优点是在大跨连续结构中减少桥梁 和主拉应力计算值的差异,将平面模型计算值和空间模型计算值 支座和养护的麻烦,减少桥墩和基础的材料用量;同上墩梁固结 进行对比,通过模型计算对刚构一连续组合梁桥的空间应力情况 有利于悬臂施工,避免了后期解除墩梁临时固结增设支座的施工 进行研究。 工序 ;预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化引起的内力可以通 1 工程概况 过桥墩的柔度来适应。 某高架桥结构形式采用刚构一连续组合体系,跨径布置为 目前国内对连续梁桥、连续刚构梁桥0号块空间应力的研究 35 m+60 m+90 m+60 m+35 m,中间三跨采用刚构形式,两侧 如图1所示。桥面全宽12.0 m, 应取得较多的研究成果 ,但对于桥跨其他位置的空间应力研 边跨采用连续梁,总长为280 m,究较少,对刚构一连续组合梁桥空间应力的研究更少。若要比较 横向布置为1O.5 m行车道+2×0.75 m防撞护栏。桥梁设计荷 全面、准确的研究这一问题,需要综合考虑刚构一连续组合梁桥 载采用公路一I级。上部结构为预应力混凝土箱梁,截面形式为 箱形主粱顶板、底板和腹板的局部变形与整体变形的相互作用, 单箱单室箱形截面,②号、③号主墩采用柔性双薄壁墩。箱梁和 m,主墩墩顶箱粱 顶板、底板的滞效应以及结构几何和材料非线性等因素的影响, 主墩均采用C50混凝土,中跨跨中箱梁高度为2采用三维空间实体有限元模型 进行仿真分析。 为5 m,主墩与中跨跨中之间的粱高按二次抛物线变化。 本文以一座刚构一连续组合梁桥为工程背景,分别建立平面 2有限元模型 显;管线弯矩不断增大,趋势较为明显且不断增强。随管线下卧 [2] 时静.浅埋暗挖地铁车站施工环境土体沉降变形及其对 加固体刚度的增大,管线竖向位移不断减小,且趋势不断减弱;水 市政管线的影响研究[D].北京:北京交通大学,2006. 平位移无明显变化;管线弯矩不断减小,趋势不断减弱。 2)对于隧道与管线平行的情况:相同埋深下,随着管一隧偏 渐减弱;管线水平位移则呈现先增加后减小的趋势。 [3] 李大勇.软土地基深基坑工程邻近地下管线的性状研究 [D].杭9'I'1:浙江大学,2001. 措施的数值模拟[J].岩土工程学报,2001,23(6):736-740. 移距离的增加,管线的竖向位移明显,且此趋势先逐渐明显后逐 [4] 李大勇,龚晓南,张土乔.软土地基基坑周围地下管线保护 3)对于隧道与管线斜交的情况:其他条件相同时,随着管一 [5] 吴隧夹角的增大(从管一隧平行到管一隧正交),管线沉降槽宽度不 位移最大值无明显差别,但峰值位置逐渐靠近隧道轴线;管线最 大弯矩随管一隧夹角的增大而增大,弯矩曲线逐渐趋于陡峭。 参考文献: 江大学,2008. 波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D]. 波,高 波.地铁区间隧道施工对管线影响的 成都:西南交通大学,2003. 数值模拟[J].现代隧道技术,2003(1):16.加. [7] 毕继红,刘伟.隧道开挖对地下管线的影响分析[J].岩土 力学,2006,27(8):1317—1321. 究[R].上海:同济大学博士后研究工作报告,2004. 断增大,最大沉降无明显差别,反弯点处沉降不断减小;管线水平 [6] 蒋正华,吴[1] 吴为义.盾构隧道周围地下管线的性状研究[D].杭州:浙 [8] 李大勇.盾构法施工过程中土体变形特性及其数值分析研 Example analysis on the impact of slurry shield tunnel construction upon underground pipeline Song Qiuyu Zhao Huizi Du Xi (College of Environment and Building,Shanghai University f oTechnology,Shanghai 200093,China) Abstract:In light of impact of slurry shield tunnel excavation upon underground pipeline,the paper studies other phenomena,consider parame— ters effect with ifnite element software ABAQUS,analyzes other major influencing factors without chan6ng other construction conditions,and fi— nally obtains responding influencing law by comparing numerical simulation results and actual measuring data. Key words:slurry shield,underground pipeline,ABAQUS,parameter 收稿日期:2015-O1-07 作者简介:高明(1969-),男,高级工程师;高红帅(1988一),男,在读博士 第41卷第8期 2 0 1 5年3月 高明等:刚构一连续组合梁桥空间应力分析 -169・ 利截面位置。综合分析平面杆系有限元模型得出的弯矩包络图 6 A+件 L+_— u ——卜_———王凹 ————斗—! — —+一 柑+B 和剪力包络图,可知中跨跨中、中跨L/4跨、主墩支点、次边跨跨 中、边跨跨中是活载纵向最不利的加载位置。 2)活载横向最不利布载。活载在箱梁横向作用位置不同所 产生的应力效应也不相同,进行活载布置时,可以按照箱梁横向 应力影响线确定不利的布置方式,一般包括横向对称布载和偏心 图1桥型布置图(单位:tin) 布载两种特殊情况 ,活载横向具体布置图如图5所示。实际工 程简化分析中,只需考虑横向按两列车偏载情况,下文的分析结 果是基于活载横向偏心布置的。 2.1 平面杆系模型 该桥边跨连续梁部分采用支架法施工,而中间刚构部分采用 悬臂浇筑施工,平面杆系模型采用桥梁博士V3.3建立,划分单元 时可以将0号块、1号块、2号块、3号块……作为独立单位,平面 杆系模型采用挂篮单元来模拟悬臂施工阶段,主墩和箱梁采取共 用节点的方式模拟墩梁固结,全桥的平面杆系单元离散图 如图 2所示。 — l U uJ — LLLLU 一 l 量J 图2平面杆系有限元模型 2.2空间实体模型 该桥的空间实体模型采用ANSYS建立。为分析该桥的空间 效应,采用空间实体单元模拟箱梁和薄壁墩。箱梁截面高度在纵 向桥按二次抛物线变化,底板和腹板的厚度随箱梁高度的变化也 不尽相同,箱室内部包括齿块、横隔板等局部构件,空间几何形状 比较复杂,若采用直接法建模,网格划分后节点和单元数量繁多, 坐标复杂,不符合实际情况,所以本文采用K—V和K.L两种方式 相结合的由底向上的建模方法。在实体单元中,六面体单元在映 射网格划分方面操作方便,由于箱梁横截面设置倒角,可以将箱 梁顶板、底板、腹板和倒角处均划分为四边形,从而实现箱梁单元 的组成部分都是六面体。横向、竖向和纵向预应力单元单独划 分,形成独立网格。预应力和箱梁混凝土之间的连接通过节点自 由点耦合实现,将预应力钢束的节点与邻近混凝土六面体单元节 点耦合起来,从而形成刚臂 。全桥实体及预应力钢束有限元模 型,如图3,图4所示。 一 图3空间实体有限元模型 图4预应力钢束有限元模型 3有限元模型应力结果对比 3.1 最不利荷载位置分析 1)活载纵向最不利布载。弯矩和剪力最不利的位置在平面 杆系有限元模型中可以很方便的得出,对于刚构一连续组合梁 桥,在正常使用极限状态下,跨中截面一般是弯矩最不利的位置; 支点截面一般是剪力最不利的位置 。弯矩和剪力均最不利的 位置一般都不会相同,也就是说在弯矩最不利的位置,剪力可能 很小,而在剪力最不利的位置,弯矩可能很小,因此除需找出弯 矩、剪力单一效应最不利的位置,还需找到剪力和弯矩组合最不 a)横向对称布置 b)横向偏心布置 图S活载横向布置(单位"-gil1) 3)荷载组合选择。综合考虑纵向和横向最不利荷载的布置, 具体工况和荷载组合见表1,其中组合2考虑中跨I,/4跨剪力最 不利情况,组合3考虑中跨跨中弯矩最不利情况。 表1荷载组合 序号 荷载 组合1 组合2 组合3 1 箱梁自重 、/ 、/ 、/ 2 二期铺装等 、/ 、/ 、/ 3 预应力 、/ 、/ 、/ 4 汽车荷载 、/ 、/ 5 整体升温25℃ 、/ 6 主墩不均沉降1 em 、/ 3.2应力结果对比 通过平面杆系模型和空间实体模型可以计算出三种组合作 用下各典型截面顶板和底板的纵向应力、主应力及腹板的主应 力,计算结果见表2和表3,其中拉应力为“+”,压应力为“一”。 通过表2和表3可以看出: 1)表2计算结果表明在三种组合作用下,纵向应力均为压应 力,全桥纵向处于受压状态。平面杆系计算的纵向应力在总体上 小于空间实体的计算值,但两者的变化趋势保持一致。说明了利 用平面杆系计算刚构一连续组合梁桥的纵向应力具有一定的保 守性,在设计中采用平面杆系验算纵向应力偏于安全。 2)表3计算结果表明空间实体主拉应力的计算值大于平面 杆系的计算值,主要原因是空间模型可以考虑箱梁桥的横隔板、 倒角等局部应力集中区域的空间效应。在桥梁支座附近箱梁横 向结构受到支座的约束,空间实体模型可以体现这种约束作用, 平面杆系则不可以,空间实体采用的刚度矩阵大于平面杆系采用 的刚度矩阵,从而导致空间实体主拉应力的计算值大于平面杆系 的计算值。 3)表2和表3中空间分析的结果显示在组合2和组合3的作 用下与组合1作用下的应力计算值相差不大,说明汽车荷载与其 他荷载组合和结构在自重和预应力荷载组合的应力值接近,应力 ・170・ 第41卷第8期 2 0 1 5年3月 山 西 建 筑 分布在除自重和预应力荷载外变化不显著,自重和预应力效应对 结构的应力分布影响较大。 表2纵向应力结果对比 计算截面 中跨L/2 中跨L/4 MPa 组合3 计算方法 组合1 组合2 顶板 平面 空间 平面 空间 一7.78 6 9—7.2 一6.36 一7.3一一7.5 底板 —2.98 —9.5~一9.7 —5.25 —5.0一一5.3 顶板 —6.62 8 9~1O.8 —5.5l —6.8~一7.3 底板 —2.23 —7.4一一7.9 一5.06 —5.5一一6.1 顶板 —8.12 —8.4 一8.6 —5.12 —6.8一一6.9 底板 —3.15 —7.6一一7.8 —4.21 —5.7一一5.9 主墩支点 次边跨跨中 边跨跨中 平面 空间 平面 空间 平面 空间 一2.78 一6.8一一7.0 一6.20 一6.1一一6.4 一3.61 一2.4一一2.8 —7.18 —3.8一一4.0 —5.54 —8.1一一8.4 —1.93 —2.9一一3.1 —2.51 —4.8一一5.3 —7.23 —7.O一一7.4 —3.14 —3.8一一4.3 —5.14 …5 9—6.2 —6.34 —8.6 一9.0 —2.40 —2.3~一2.6 —2.36 —5 5一一5.7 —4.82 —4 8~一5.1 —3.55 —4 4~一4.6 —5.10 ~4.6一一4.8 —5.49 ~8.8一一9.0 —1.3l —2.9一一3.1 表3主拉应力结果对比 计算截面 计算 方法 中跨L/2 平面 中跨L/4 平面 MPa 底板 顶板 组合3 腹板 0 2.16 顶板 组合l 腹板 O 1.75 底板 顶板 组合2 腹板 O 2 lO 底板 空间 0.31~0.53 1.3l~1.73 2.14~3.43 0.26~0.40 1.13—1.89 2.00—3.52 O.76—1.02 2.77~2.98 2.51~3.22 空间 0.22—0.65 1.78~2.1O 1.03—3.16 0.76—1.o2 2.77—2.98 2 5l~3.22 0.98一1.62 2.26~3.52 1.54~2.26 中跨/平面 48 空间 0.1.10 O.O6 0.62 1.37 0.46 0.65 1.48 0.18 0.68 .41—0.58 l,56—2.86 3.14—4.43 O.53一1.22 2.62—3.13 1.55—2.02 0.54—0.76 2.37—2.98 1.51—2.42 主墩支点 平面 仝l_ 3.31—4.36 0.37—0.79 2.14~4.43 0.43~0.87 0.57—1.38 1.51—2.52 0.43一1.o2 1.77一1.89 0.51—0.74 边跨跨中 平面 空间 O.6l~O.93 1.0l—1.43 1.50~1.89 O.26—0.60 1.27—2.98 2.O3—2.65 0.76一1.02 1.88~2.45 O.5l~0.9O 4)通过表3空间分析可知,在主墩附近截面底板的主拉应力 变化很大。 值较大,组合l作用下最大值就可达到4.43 MPa,而C50混凝土 参考文献: 的抗拉强度设计值为1.83 MPa,计算值是设计限值的2.4倍左 [1]柯亮亮.刚构一连续组合梁桥结构分析[D].西安:长安大 右;平面杆系模型无法考虑底板的横向应力分布情况,用于设计 学,2009. 时计算值偏小,从而导致结构在该区域容易出现应力超限现象, [2] 曾振华,习 安,李昭廷.刚构一连续组合梁桥临时固结拆 甚至产生裂缝。 除顺序的研究[J].公路工程,2012(2):37.40. 5)桥梁横向应力在平面杆系模型中无法体现,只有通过空间 [3] 王维红,苗家武,赵进锋,等.包树黄河特大桥主桥箱梁关键 分析才能反映横向应力的分布情况。通过对三种组合作用下的空 部位空间应力研究[J].公路,2013(1):49-53. 间应力进行分析,可知在箱梁顶板范围内横向应力效应显著;悬臂 [4] 文明.连续刚构桥零号块空间应力仿真分析[J].铁道标 板部分和两腹板之间的顶板部分应力分布的差别较大。两腹板之 准设计,2013(3):77_79. 间的顶板部分应力分希清况非常复杂,在纵桥向存在较大变化。 [5] 黄海东,向中富,郑皆连.Pc箱梁桥三维徐变效应精细化分 析[J].中国公路学报,2013(5):108—114. [J].海军工程大学学报,2012(4):79.85. [7] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出 版社,2007. 4结语 梁桥为工程背景,建立平面杆系和空间实体有限元模型,对该桥 的空间应力分布情况进行了研究,可以得到以下结论: 1)从边跨至中跨关键截面,平面杆系和空间实体有限元模型 本文以某35 m+60 m+90 m+60 m+35 m刚构一连续组合 [6] 陆海翔,王 飞.平面杆系结构内力包络图仿真优化与编程 纵向应力计算值变化趋势总体保持一致;空间实体模型考虑了各 [8] 张扬.高墩大跨刚构一连续组合梁桥的设计[J].铁道标 明.预应力混凝土箱梁桥横向受力分 局部应力区域,与平面杆系分析相比,主拉应力计算值较大。 应力分布较简单,两腹板间的顶板区域应力分布复杂,沿纵桥向 准设计,20l2(4):79—82. 2)箱梁的横向应力效应明显,在箱梁顶板范围内,悬臂部分 [9] 陶舍辉,项贻强,吴析方法的研究比较[J].公路交通科技,2005(7):68-70. Analysis on spatial stresses of rigid-frame-continuous combination bridge Gao Ming。 Gao Hongshuai (1.Harbin Municipal Road and Bridge Engineering Design,Harbin 150000,China; 2.College ofCivil Engineering,Noaheast Forestry University,Harbin 150000,China) Abstract:Plane frame model and spatil entiaty model of a rigid—rame—contfinuous combination bridge are established using finite element analysis software Dr.Bridge and ANSYS.Taking the most unfavorable loading positions of vehicle load in longitudinal and transverse direction into ac・ count through the analysis on space stress under three different combinations,it turned out that the stess of rrigid—frame—continuous combination bridge accords with the real condition analyzed by spatial entity mode1. Key words:rigid—frame—continuous combination bridge,spatil staress,plane frame,spatial entity —