斜交框构桥开裂的有限元分析

赵文婷

钢筋混凝土斜交框构桥以其既经济又美观的特点,越来越多地得到了应用。但因设计和施工等方面的原因,一些斜交框构桥出现了板体开裂现象,这使得钢筋混凝土框构桥的耐久性出现了很大差异,即使不是由于裂缝本身的原因,在框构顶板耐压性减少的情况下,也会由于裂缝使钢筋外露而易锈蚀,或由于雨水或融冻使混凝土受侵蚀,从而使钢筋混凝土斜框构桥受到损害。因此,在设计中,如何使得混凝土不产生有害的裂缝是个重要的问题。

目前相关文献及论文中对于裂缝产生的原因有多种说法。一般来说,结构产生裂缝的原因主要是结构配筋不足、弯曲应力过大、混凝土收缩、温度影响和施工等因素综合形成的。其中,更主要的原因是斜交框构桥各板块不同部位受力不均引起的,所以,应分析框构桥各板块受力特点,根据其受力大小进行结构配筋是减少有害裂缝产生的重要措施之一。本文结合盘营客专公铁立交项目中某个工点框构桥,采用有限元分析软件SAP对框构桥进行三维整体建模分析,得到了框构桥不同部位的受力特点,并提出了对应于受力特点的配筋建议。

1 有限元建模

本框构桥位于京九线上,框构桥结构形式为:1-19 m斜交10°,框构桥的几何参数如表1所示。

表1 框构几何参数 m

根据框构桥的构件长宽比知,该类桥属于板壳类结构,故在SAP建模时,选用板壳单元来模拟。框构桥位于铁路路基中,底板以下为弹性地基,考虑到需保证铁路正常运行,只允许框构在竖向产生微小位移,有限元建模时对框构约束竖向位移,两侧墙外为路基,考虑到路基无限长,有限元建模时对框构约束铁路路线方向位移及绕重力方向的转动,约束施加在底板与两侧墙相交的节点上,底板其他节点施加刚度较大的地基弹簧。材料的弹性模量、泊松比的取值如表2所示,有限元建模时参数选取见表2。

表2 框构主要计算参数

框构两侧墙承受对称的土压力,土压力从顶板到底板递加,顶板承受路基填土、道砟、铁轨、枕木等恒载,以及铁路中活载作用。划分网格后的有限元模型如图1所示。

2 框构受力特点分析

对建好的模型进行有限元分析计算,得到计算结果的剪力图及弯矩图,如图2,图 3所示。

由图2可以看出,框构顶板的剪力分布特点为:最大剪力分布在顶板两钝角角隅处,最小剪力分布在顶板中心处,从中心线往顶板两侧,剪力越来越大。

由图3可以看出,框构顶板弯矩分布特点为:

最大弯矩发生在顶板中心线处,且框构内侧受弯,从中心线往两侧,弯矩越来越小;侧墙弯矩分布特点为:侧墙顶与侧墙底外侧受弯,侧墙中心线内侧受弯。

3 结语

通过大量文献的参考,以及本文对斜交框构的有限元分析计算,得出了斜交框构的受力特点。根据框构桥受力特点对其进行局部配筋加强,可以防止结构由于局部过早产生裂缝,影响结构整体的受力,从而延长框构桥的耐久性。通过本文的分析计算,提出如下建议:1)根据顶板剪力分布特点,顶板两钝角角隅处应进行局部配筋加强;且顶板两侧也应进行局部抗剪配筋加强;2)根据弯矩受力特点,顶板应在中心线处且顶板底进行受弯主筋加强;3)根据弯矩受力特点,侧墙顶与侧墙底外侧进行抗弯主筋加强;而侧墙中部应对内侧进行抗弯主筋加强。

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