大跨径连续梁桥0 号块温度荷载下应力分析

丁伟亮 广东省建筑设计研究院，广东 广州 510010

某大跨度连续梁桥跨径组合为:45 +78 +150 +78 +45=396m，上部结构采用分幅的变截面箱形梁，单幅桥的桥宽为14.5m，截面形式为单箱单室箱截面，支点处截面梁高为8.8 米，跨中截面梁高为3.9 米，中间按多次抛物线进行变化。箱梁悬臂长度为3.5 米，箱室宽度为5.7米，支点截面顶板厚度为28 厘米，底板厚度为70 厘米，腹板厚度为90厘米。由于该桥跨径较大，加上桥面比较宽，悬臂比较大，其0#块受力比较复杂。

大跨度桥梁比较显著的特点是结构截面尺寸大，底板和腹部都比较厚。采用悬臂浇筑施工的此类大跨度桥梁的0 号块受力比较复杂，为了确保整个大桥的设计和施工安全，加快其施工进度，对该类桥梁0#块进行空间应力分析，以了解0 号块的应力分布规律是有必要的。

1 有限元模型的建立

本文的空间有限元模型采用大型通用有限元分析软件ANSYS 建立，全桥平面有限元模型采用MIDAS/Civil2006 有限元软件建立。ANSYS 软件具有功能强大的前、后处理器与求解器和先进的非线性求解功能，可以处理混凝土梁中配置钢筋、混凝土的开裂和压溃等比较复杂的问题，用于进行试验仿真分析非常方便。

本文的0 号块有限元分析，主要用到ANSYS 的线单元和块单元两种类型:LINK8 和SOLID95。三维结构线单元LINK8 用于模拟钢筋和预应力钢束的受力情况;三维结构实体单元SOLID95 单元具有蠕变、塑性、应力强化、膨胀、大变形和大应变能力，可以施加本文研究所需要的体荷载温度和表面荷载，本文采用SOLID95 单元用于模拟混凝土。由于本文采用悬臂浇筑施工的工程对象左右幅完全对称，因此只取单幅桥梁进行分析。严格来说，0 号块的应力状态与整个桥梁结构的各个部分都是相互联系的，要分析清楚0 号块的应力状态，就需要将全桥结构划分为三维实体单元进行空间应力分析。通过圣维南原理知道，0号块的应力分布只与其相关联的附近区域的应力状态相关;而对于远离0 号块区域中的应力分布，其对0 号块的应力影响很小且可以忽略不计。因此可以将连续梁桥的0 号块和与其相邻的两个1 号块一起建立一个空间实体子结构模型进行分析研究，其应力分析精度可满足工程设计要求。

在建立0 号块的ANSYS 空间有限元模型之前，先用MIDAS/Civil2006 有限元软件建立全桥单梁模型对桥梁各施工阶段作总体内力计算，计算出各施工阶段1 号块前端截面的弯矩、轴力和剪力等内力，然后根据虚位移原理将截面的弯矩、剪力和轴力等内力等效为截面处各单元表面的分布面力和各个节点上的节点荷载;再利用空间有限元软件ANSYS，建立0 号块结构的空间实体模型进行应力分析。0 号块空间计算模型把整个研究对象离散为有限元网格。模型共分为86742 个三维等参数实体单元和123132 个节点，混凝土和钢绞线的连接通过钢绞线节点与邻近混凝土节点的耦合来实现。

图1 支点处截面

图2 0 号块结构纵向平面图

2 计算结果及分析

本文主要分析大跨度桥梁0 号块在成桥阶段荷载(自重、二期恒载、收缩徐变和预应力)和温度荷载作用下，其应力分布情况和剪力滞效应。剪力滞效应通常采用剪力滞系数来衡量，剪力滞系数的定义:λ=考虑剪力滞效应的法向应力/按初等梁理论计算的法向应力。

图3 A-A 截面纵向应力图

图4 B-B 截面纵向应力图

成桥阶段温度荷载作用下0 号块顶板和腹板都受压，其最大压应力为9.3MPa，横隔板的人洞顶部和底板受拉，最大拉应力为1.35Mpa;A-A 截面顶板的最大剪力滞系数为1.03，底板最大的剪力滞系数为1.06，顶、底板最大应力均出现在腹板和截面下缘处，剪力滞系数按常态分布。B-B 截面顶板最大的剪力滞系数为1.19，底板最大的剪力滞系数为1.12，其顶板最大应力出现在悬臂板的端部，底板最大应力出现在截面腹板下缘处，顶板截面应力和剪力滞分布均有异于常态，由于人洞的影响，截面底板应力及剪力滞系数均按常态分布，顶板最大应力大于按初等梁理论的计算值约20%，剪力滞效应比较明显。

图5 A-A 截面顶板剪力滞系数横向分布图

图6 A-A 截面底板剪力滞系数横向分布图

图7 B-B 截面顶板剪力滞系数横向分布图

图8 B-B 截面底板剪力滞系数横向分布图

3 结语

大跨度桥梁0 号块受力比较复杂，其剪力滞后效应是一个不容忽视的问题，尤其是0 号块截面的顶板剪力滞后效应比较明显。0 号块因为混凝土的浇筑体积比较大，施工时应该采取措施降低其水化热效应，要对其温度应力进行控制。对0 号块顶板上缘、底板下缘、预应力筋锚固区、横隔板与腹板相结合的部位以及横隔板人洞周围等容易出现应力集中和裂缝的薄弱部位，需要配置足够的防裂构造钢筋。箱梁的剪力滞效应是一个复杂的问题，其随荷载作用模式的不同而不同，本文主要对0 号块在其恒载和温度作用下的剪力滞系数分布规律进行了研究，可供类似工程项目的设计与施工提供参考。

［1］张士铎.桥梁设计理论［M］.北京:人民交通出版社，1984:1-68.

［2］范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京:人民交通出版社，1999:1-50.

［3］程翔云，罗旗帜.箱梁在压弯荷载共同作用下的剪力滞［J］.土木工程学报，1991，20(5):52-64.

［4］唐怀平，唐达培.大跨径连续刚构箱梁剪力滞效应分析［J］.西南交通大学学报，2001，36(6):617-619.

［5］刘涛.精通ANSYS［M］.北京:清华大学出版社，2001:1-210.