刚构—连续组合梁桥空间应力分析

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)

刚构—连续组合梁桥空间应力分析

高 明1高红帅2

(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)

采用有限元分析软件桥梁博士和ANSYS建立某刚构—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—连续组合梁桥的应力较符合实际情况。

刚构—连续组合梁桥，空间应力，平面杆系，空间实体

刚构—连续组合梁桥是连续梁桥与连续刚构桥的组合，通常是在一联桥梁的中部数孔采用墩梁固结的刚构，边部数孔采用设置支座的连续结构[1]。主要优点是在大跨连续结构中减少桥梁支座和养护的麻烦，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工序[2]；预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化引起的内力可以通过桥墩的柔度来适应。

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应取得较多的研究成果[3，4]，但对于桥跨其他位置的空间应力研究较少，对刚构—连续组合梁桥空间应力的研究更少。若要比较全面、准确的研究这一问题，需要综合考虑刚构—连续组合梁桥箱形主梁顶板、底板和腹板的局部变形与整体变形的相互作用，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，采用三维空间实体有限元模型[5]进行仿真分析。

本文以一座刚构—连续组合梁桥为工程背景，分别建立平面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加载位置，分析在不同组合作用下平面模型和空间模型纵向应力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进行对比，通过模型计算对刚构—连续组合梁桥的空间应力情况进行研究。

1 工程概况

某高架桥结构形式采用刚构—连续组合体系，跨径布置为35 m+60 m+90 m+60 m+35 m，中间三跨采用刚构形式，两侧边跨采用连续梁，总长为280 m，如图1所示。桥面全宽12.0 m，横向布置为10.5 m行车道+2×0.75 m防撞护栏。桥梁设计荷载采用公路—Ⅰ级。上部结构为预应力混凝土箱梁，截面形式为单箱单室箱形截面，②号、③号主墩采用柔性双薄壁墩。箱梁和主墩均采用C50混凝土，中跨跨中箱梁高度为2 m，主墩墩顶箱梁为5 m，主墩与中跨跨中之间的梁高按二次抛物线变化。

2 有限元模型

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[6]如图2所示。

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[7]。全桥实体及预应力钢束有限元模型，如图3，图4所示。

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—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[8]。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布载两种特殊情况[9]，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。

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L/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

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“-”。

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—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 MPa

表3 主拉应力结果对比 MPa

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值较大，组合1作用下最大值就可达到4.43 MPa，而C50混凝土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，甚至产生裂缝。

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。两腹板之间的顶板部分应力分布情况非常复杂，在纵桥向存在较大变化。

4 结语

本文以某35 m+60 m+90 m+60 m+35 m刚构—连续组合梁桥为工程背景，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局部应力区域，与平面杆系分析相比，主拉应力计算值较大。

2)箱梁的横向应力效应明显，在箱梁顶板范围内，悬臂部分应力分布较简单，两腹板间的顶板区域应力分布复杂，沿纵桥向变化很大。

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Analysis on spatial stresses of rigid-frame-continuous combination bridge

Gao Ming1Gao Hongshuai2

(1.HarbinMunicipalRoadandBridgeEngineeringDesign,Harbin150000,China;2.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150000,China)

Plane frame model and spatial entity model of a rigid-frame-continuous 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 account through the analysis on space stress under three different combinations, it turned out that the stress of rigid-frame-continuous combination bridge accords with the real condition analyzed by spatial entity model.

rigid-frame-continuous combination bridge, spatial stress, plane frame, spatial entity

2015-01-07

高 明(1969- )，男，高级工程师； 高红帅(1988- )，男，在读博士

1009-6825(2015)08-0168-03

U441.5

A