某大跨刚构桥0号块空间应力数值分析

张 辉

(湖南中大建设工程检测技术有限公司， 湖南 长沙 410205)

某大跨刚构桥0号块空间应力数值分析

张 辉

(湖南中大建设工程检测技术有限公司， 湖南 长沙 410205)

以某连续刚构桥工程为背景，采用MIDAS有限元数值计算软件，建立0号块实体模型，并对该桥的0号块单元的空间受力情况进行分析。分析表明，横隔板与腹板连接处和预应力钢束锚固区域内存在应力集中，应力不均匀分布；箱梁裂缝形成的关键原因主要是局部应力较大，对于箱梁裂缝需要展开更为精细的空间受力分析。研究结果为工程施工的安全及质量控制提供了数据和理论支撑，对工程顺利进行有重要的作用。

连续刚构桥； 0号块； 空间受力； 数值模拟

0 引言

连续刚构桥由于其具有独特的优势，被广泛应用于公路桥梁的建设中，成为了具有相当竞争力的主要桥型之一[1-3]。连续刚构桥的上部结构的0号块与桥墩固结形成刚构体系，0号块是全桥关键受力部位，也是主梁施工的起始部位，并且0号块中通常会布置普通钢筋、三向预应力筋、锚具、预埋件等，因此，0号块构件的受力极为复杂[4-8]。施工控制不当，极有可能会因受力不均产生裂隙，影响桥梁结构寿命及运营安全。

目前，我国规范常采用平截面假定方法模拟连续刚构桥在自重及外荷载作用下的应力应变状态，但由于预应力对箱梁的作用，使得梁体受力极为复杂，梁单元模拟计算通常会产生设计缺陷，容易使箱梁腹板出现裂缝病害[9]。因此，该方法不能全面有效地计算梁体的受力特点。

基于此，需要在桥梁的设计和施工时采用实体单元对桥梁结构进行空间受力分析，达到准确分析桥梁0号块结构空间受力情况的目的。本文以某连续钢筋混凝土刚构桥工程为背景，采用MIDAS/FEA有限元数值计算软件，对该桥的0号块采用实体单元对桥梁的空间结构受力情况进行分析，为工程施工的安全及质量控制提供了数据和理论支撑，对工程的顺利进行极为关键。

1 工程背景

1.1 工程简介

本文结合某公路大跨度钢筋混凝土变截面连续刚构桥设计工程，大桥的平面布置如图1所示。桥梁结构类型为55 m+2×100 m+55 m的钢筋混凝连续刚构桥，桥面净宽为33.5 m(包含两侧防护栏共1.0 m，两侧行车道共30.5 m，中央分隔带2.0 m)，设计车速为100 km/h，车辆荷载等级标准采用公路-Ⅰ级。

图1 桥梁平面布置图(单位： m)

桥梁主梁截面形式采用变截面单箱单室箱梁形式，梁高的变化随抛物线变化，0号块主梁高度为6.0 m，跨中梁高为2.6 m，箱梁顶板宽度为16.65 m，厚度为0.32 m。底板厚度从根部的0.8 m按照抛物线变化至跨中截面的0.32 m，腹板厚度采用0.55 m和0.7 m两种形式，桥墩上部范围内的箱梁顶板厚度为0.5 m，底板厚度为1.1 m，腹板厚度为0.9 m。下部结构采用双薄壁空心墩、桩基础。主梁的0号块断面图如图2所示。

图2 0号块断面示意图(单位： cm)

1.2 材料性质

该桥梁的桩基础、底系梁以及引桥承台均采用C25标号混凝土，引桥桥墩、盖梁、耳背墙、主桥承台均采用C30标号混凝土，主桥桥墩墩身采用C40标号混凝土，上部结构箱梁及桥面采用C50标号混凝土。

刚构桥的主桥纵向预应力钢束主要采用22Φs15.20和19Φs15.20型号的钢绞线，对应的锚具分别采用OVM15-22及OVM15-19。钢绞线的张拉控制应力为σcon=1 395 MPa。主桥横向预应力钢束主要采用3Φs15.20型号的钢绞线，布置间距为50 cm，采用BM15-3锚具，进行单端交叉张，钢绞线的张拉控制应力为σcon=1 395 MPa。主桥的竖向预应力钢筋采用JL32高强精轧螺纹钢，进行单端张拉，张拉控制力为560 kN。均采用预埋的塑料波纹管作为预应力管道，各型号钢筋及钢板性能均满足规范规定的要求。

2 建立全桥模型

2.1 模型建立

MIDAS/Civil有限元软件具有强大的三维仿真计算能力。为了真实反映0号块应力情况，精确的选择边界条件及荷载施加，依据圣维南原理，选取全桥中间部位单薄壁空心墩墩身15 m长度、0号块及两侧的1号块、2号块、3号块、4号块构成整体进行空间受力分析。本文采用空间有限元中的

实体单元对连续刚构桥构建三维模型，实体模型总共包含66 460个节点，223 446个单元，见图3。对模型进行自动网格划分，其划分尺寸为 0.3 m。选取0号块底部与墩身固结的中心位置作为坐标原点，梁高度方向为Z方向，桥梁纵向为X方向，桥梁横向为Y方向。钢束网格模型中包含纵向、横向、竖向预应力钢束，横向钢束对称布置，间距为50 cm，竖向钢束左右对称布置，腹板内双肢布置，间隔为38 cm，钢束三维实体模型如图4所示。

图3 单元三维实体模型

图4 钢束三维实体模型

2.2 材料参数设置

桥墩墩身及主梁结构混凝土分别为C40和C50标号混凝土，其主要性能指标如表1所示。此外，混凝土的容重为25.0 kN/m3，混凝土的泊松比为0.2，混凝土的线膨胀系数为0.000 01 ℃。

表1 混凝土主要指标参数混凝土强度等级弹性模量Ec/MPa抗压强度设计值fcd/MPa轴心抗拉强度设计值ftd/MPaC4032500185166C5034500226184

刚构桥的主桥纵向预应力钢束主要采用22Φs15.20型号的钢绞线，其主要性能指标见表2。

表2 钢绞线的主要指标参数弹性模量Ep/MPa抗拉强度fpk/MPa张拉控制应力σcon/MPa钢束摩擦系数μ影响系数K钢束松弛系数ξ锚具变形Δ/mm线膨胀系数/℃1950001865139001700015030550000011

2.3 边界及加载条件

边界条件的设置：为了与实际情况相同，通过将桥墩底部进行各向刚性固定方式，墩身顶部与箱梁连接部位采取弹性连接刚性的方式。

加载条件：该连续刚构桥属于大跨径桥梁，同时主梁断面为变截面单箱单室箱梁，因而在进行桥梁计算分析时，应该重点考虑桥梁自重应力、外荷载以及温度效应的影响。恒载主要为结构自重，按容重计算为325 kN/m；二期荷载作用按照局部荷载来布置；主梁部位的横隔板及加劲梁的荷载作用，软件中采用等效的集中荷载作用到相应部位。通过计算得到模型两侧位置施加荷载值，见表3。

表3 模型两侧作用荷载值部位轴力/kN法向力/kN弯矩值/(kN·m)左侧-1373027617186141-13919501右侧-13743263-1716929-13934179

2.4 荷载工况

施工过程中的荷载主要有恒载、钢束张拉引力引起的荷载、结构超静定引起钢束张拉作用产生附加荷载、收缩与徐变引起的荷载、结构超静定引起钢束收缩与徐变作用的附加荷载、桥梁结构由于温度变化引起的温度效应荷载。在MIDAS软件中，依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)要求，可考虑整体降温及温度梯度效应的影响对荷载进行组合。荷载组合情况及相应系数取值见表4。

表4 荷载工况及系数荷载工况系数荷载工况系数恒载10徐变二次10二期荷载10升(降)温10钢束一次10温度梯度08钢束二次10活载06667收缩二次10

3 实体单元空间应力分析

通过MADIS有限元模拟0号块腹板正应力空间应力分布情况，选取Y=0位置的腹板剖面，得到腹板内外侧正应力云图如图5所示，单位为MPa。

从图5中可知，在腹板内侧位置横隔板周边存在拉应力，其余部位为压应力，且底端的压应力较大。出现这种原因主要是端部存在应力集中现象，纵向预应力筋的锚固在底端也产生集中应力。此外，横隔板的作用和墩顶结构的影响，产生集中力，出现部分拉应力。在腹板外侧均为压应力，在横隔板附近出现应力集中。分析表明横隔板的设置对腹板正应力有重要的影响。

a) 内侧云图 b) 外侧云图

腹板内外侧主拉、压应力云图如图6和图7所示，单位为MPa。

a) 内侧云图 b) 外侧云图

a) 内侧云图 b) 外侧云图

从图6中可看出，腹板内外侧的主拉应力均较小，除横隔板作用处出现主拉应力较大外，其余位置分布较为均匀。从图7中可以看出，腹板的主压应力，在腹板内侧位置横隔板周边存在较大的主压应力，腹板外侧横隔板附近的主压应力从上到小逐步的减小，其分布规律与正应力分布规律类似。

为了进一步地对比研究实体模型的不同截面的空间受力情况，研究选取主梁底部2号块、3号块、4号块作为研究对象进行分析，对研究截面进行编号，3号块与4号块分界位置划为A截面，2号块与3号块分界位置划为B截面，A，B截面处为预应力弯束锚固截面，以A、B截面为中心，分别向左右两侧1 m位置取2个截面，分别划为A-1、A+1截面与B-1、B+1截面，截面划分示意图如图8所示。

图8 截面划分示意图

通过有限元计算得到实体单元不同截面的正应力大小，并依据计算数值绘制不同截面正应力随梁高的变化曲线图，如图9所示。

图9 不同截面正应力变化曲线

从图9可以看出，各截面正应力变化曲线随着梁高增大均表现为增大趋势。但在A-1、A、B-1、B截面上正应力存在突变，主要是因为该位置是为纵向钢束下弯锚固位置及锚固前截面位置，存在较大的预应力集中荷载的作用，使得锚固区域内截面的正应力分布不均匀变化。

4 结论

本文采用MADIS/FEA有限元数值计算软件，结合混凝土连续刚构桥的实际情况，考虑预应力钢

束作用，采用合理的材料参数、边界条件、荷载组合情况对桥梁0号块单元进行实体建模及成桥阶段空间受力情况进行了分析，通过实体单元的计算结果，发现横隔板与腹板连接处和预应力钢束锚固区域内存在应力集中，应力不均匀分布，同时根据空间受力分析可以发现箱梁裂缝形成的关键原因主要是因为局部应力较大。因而对于箱梁裂缝的研究需要展开更为精细的空间受力分析。研究结果为工程施工的安全及质量控制提供了数据和理论支撑，对工程顺利进行有重要的作用。

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1008-844X(2016)04-0086-03

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