乐小刚,余晓琳
(1.广州市市政工程设计研究总院,广东 广州 5 10060;2.华南理工大学,广东 广州 5 10640)
大悬臂预应力宽箱梁桥空间效应研究
乐小刚1,余晓琳2
(1.广州市市政工程设计研究总院,广东 广州 5 10060;2.华南理工大学,广东 广州 5 10640)
为研究大悬臂预应力混凝土宽箱梁桥的空间效应,采用有限元软件ANSYS建立精细化空间数值模型,对比无预应力、纵向预应力、纵向预应力加横向预应力三种工况下的计算结果,分析预应力对桥梁空间效应的影响,研究移动荷载、扭转作用下桥梁的空间应力分布规律,得出纵横向预应力大大改善桥梁应力状况,移动荷载对结构的影响从跨中截面向墩顶截面快速减弱,墩顶附近梁体的扭转作用十分强烈,而梁体顶板的扭转作用要远小于底板。
大悬臂;箱梁;空间效应;有限元
大悬臂宽箱梁桥由于桥下空间大、造型美观,近来受到设计人员的重视,由于大悬臂宽箱梁结构空间效应明显,使用传统的杆系模型无法得知全面桥梁的空间应力分布状况,往往得到偏小的应力,不利于结构安全,为此许多学者对桥梁的空间效应进行研究,汪劲丰根据实体退化单元理论,使用预应力效应空间分析方法分析临海大桥[1,2],郑建新以长沙市潇湘大道北段高架桥4×40m连续箱梁为研究对象,运用有限元软件Midas多层梁格分析模型,对大悬臂弧线底板箱梁桥进行横向受力、纵向受力、横向预应力空间作用效应分析[3],李海峰对连续刚构宽箱梁桥进行空间应力分析,得知该类桥的剪力滞效应较一般箱形梁大[4],目前有限元计算方法成熟,计算结果合理,本文采用ANSYS有限元软件建立精细化空间模型,分析大悬臂宽箱梁桥在预应力、移动荷载、扭转作用下的空间效应。
某大悬臂预应力混凝土宽箱梁桥全长168 m,由4孔42 m长梁体组成,梁体分为三个箱室,标准梁高2.5 m,顶板宽33.5 m,厚度为0.25 m,底板宽17.5 m,厚度为0.25 m,桥面设置2%横坡,挑梁端部沿纵向设小纵梁以增强箱梁翼缘的抗扭作用,挑梁悬臂长7.174 m,挑梁间下缘设置椭圆曲线弧形板,并保持弧形板曲线线形一致,其标准梁截面见图1,每孔梁体设置9道横隔板,梁体截面在靠近支座附近增厚,以增强结构的抗剪能力。
图1 桥梁标准梁截面图(单位:cm)
采用有限元计算分析软件ANSYS建立全桥上部结构实体单元模型,支座采用节点约束模拟,全桥模型见图2,桥梁预应力筋分布示意见图3,模型中纵桥向为X方向,横桥向为Y方向,高度方向为Z方向。用SOLID 45单元模拟混凝土结构,弹性模量E=35.5 GPa,泊松比为0.2,密度为2 500 kg/m3,采用有初应变的LINK 8单元模拟预应力钢束,弹性模量为ES=195 GPa,泊松比为0.3,密度为7 850 kg/m3用有初应变的LINK 8单元来模拟预应力钢束。全桥实体模型节点总数为1 434 368个,单元数量为981 666个。
图2 全桥模型图
图3 预应力筋分布示意图
为分析预应力对结构的作用,考虑三个工况:工况A为重力加纵横向预应力,工况B为重力加纵向预应力,工况C为仅有重力,图4为应力分析位置横断面示意图,由于篇幅有限,重点分析位置E沿着桥梁纵向的应力分布,图5为顶板位置E沿桥长方向纵向应力曲线图,可以看出纵向应力呈现波浪变化,在墩顶和跨中截面出现峰值,没有施加预应力时,墩顶附近截面应力超过了混凝土抗拉设计值,而施加预应力后,结构纵向受压,变化幅度减少,受力更为合理,同时对比工况B及工况C,可以发现由于结构泊松效应,横向预应力可以加大结构纵向预应力,从而使得结构有更大压应力储备,图6为顶板位置E沿桥长方向横向向应力曲线图,工况B和工况C应力状况相似,工况C应力曲线呈W状,但工况B与工况C在墩顶附近相差较大,说明此处纵向预应力对其横向预应力影响较大,而施加横向预应力后,桥梁的横向应力由受拉转为受压,曲线形状转变为M形,极大的提高桥梁的承载能力,同时,可以发现桥梁墩顶截面的顶板横向应力值绝对值达到峰值。
图4 应力分析位置横断面示意图
图5 顶板位置E沿桥长方向纵向应力曲线图
图6 顶板位置E沿桥长方向横向向应力曲线图
图7为边孔跨中1/2截面顶板应力曲线图,可以看出,纵向应力变化趋势较为一致,远离梁截面中心,则该处纵向压应力减少,但施加纵横向预应力后,结构的压应力储备更多,而对于截面横向应力,工况B与工况C应力曲线趋势相近,大部分为拉应力,但工况A与前两个工况相差较远,截面主要受到压应力,在梁体端部存在较大拉应力,这是由于横向预应力在此锚固,导致较严重的应力集中现象,在设计时需要加强此处配筋,图8为边孔跨中1/2截面底板应力曲线图,从图中可以看出,三个工况下,工况A的纵向应力和横向应力状况均为最优,纵向应力及横向应力曲线趋势类似,变化较为平缓,这是由于桥梁仅在顶板布置横向预应力,所以底板的纵横向应力受横向预应力的影响较少。
图7 边孔跨中1/2截面顶板应力曲线图
4.1 移动荷载工况
为研究移动荷载对桥梁的影响,划分十一个工况,工况一至工况五为横向移动荷载工况,见图9,工况六至工况十一为纵向移动荷载工况,见图10。
4.2横向移动荷载影响
随着荷载的横向移动,靠近荷载的截面,横向应力变化较大,对于第一孔跨中截面顶板,在工况二、工况四作用下,其横向应力相差不大,但在工况一、工况三、工况五作用下,其横向应力在作用点30 cm范围内变化较大,底板横向应力曲线变化趋势类似,但底板端部往里2 m范围内大小变化较大,从跨中截面往墩顶截面,横向应力变化不断减小,在墩顶截面,其顶板及底板的横向应力曲线基本无变化。
图8 边孔跨中1/2截面底板应力曲线图
图9 横向移动荷载工况示意图
图10 纵向移动荷载工况示意图
结构的纵向应力变化规律与横向应力变化规律类似,荷载作用点腹板上顶板位置时,顶板纵向应力变化不大,但荷载作用点位于非腹板正上方位置时,作用点位置附近30 cm的应力突变,而同一截面的底板纵向应力变化大于顶板的变化,荷载侧应力状况得到改善,而非荷载侧应力恶化,远离荷载侧的截面,荷载的移动对该截面的影响不大。
4.3 纵向移动荷载影响
对于第一孔跨中截面,工况七作用下第一孔跨中截面最大压应力出现在集中荷载附近,其余工况作用下,边孔跨中截面顶板应力无变化从工况六至工况十一,墩顶截面的顶板和底板横向应力曲线基本无变化。
跨中截面至墩顶截面,应力变化迅速减少,荷载作用点截面的应力变化较大,其余截面变化很小。
采用车道荷载分析结构的扭转作用,设置偏载工况和对称荷载工况,模型六车道活载横向示意见图11,活载沿着桥梁纵向布置一致,为模拟实际轮胎对桥梁的作用,每个车道荷载加载宽度为0.3 m。
图11 模型六车道活载偏载横向示意图
图12为边孔跨中截面偏载工况顶板纵向应力图,图13为边孔跨中截面对称荷载工况顶板纵向应力图,从图中可以看出,顶板纵向应力变化不大,最大最小纵向应力十分接近,只有在偏载侧的纵向应力发生微小变化,图14为边孔跨中截面偏载工况底板纵向应力图,图15为边孔跨中截面对称荷载工况底板纵向应力图,偏载侧的应力状况比非偏载测要恶劣,同时两种工况下的最大最小应力值相差较大,曲线变化趋势类似,可以看出顶板受到扭转的影响比底板小,故分析扭转作用时应该更加关心底板的应力状况。
图13 边孔跨中截面对称荷载工况顶板纵向应力图
图14 边孔跨中截面偏载工况底板纵向应力图
图15 边孔跨中截面偏载工况底板纵向应力图
结构在扭转时,可以认为结构的纵向应力由初等梁理论对应的应力、剪力滞效应产生的应力、约束扭转作用产生的畸变应力三部分组成,采用式(1)中的K值反应结构扭转作用大小,其中式(1)的分子为偏载作用下某点的纵向应力,分母为对称荷载作用下同一点的纵向应力,其中对称荷载总和与偏载总和相等。
图16为K值沿桥梁纵向分布曲线图,墩顶附近位置,结构的扭转作用非常明显,甚至出现了又压应力转为拉应力的情况,在实际设计中需要特别注意,其余位置的K值接近1,说明桥梁的抗扭刚度较强,设计合理。
图16 K值沿桥梁纵向分布曲线图
(1)横向预应力改善顶板的横向应力状况,同时由于泊松效应,增大了纵向压应力,横向预应力对顶板影响较大,对底板影响较小;
(2)横向移动的集中荷载对于全桥应力的影响较小,当移动荷载作用在非腹板上,作用点附近30 cm范围内的应力变化较大,其余部位顶板变化较小,移动荷载作用于腹板上,则顶板应力基本无变化,底板受到横向移动荷载的影响比顶板大;
(3)纵向移动的集中荷载对作用点所在附近横截面的作用影响较大,从跨中截面至墩顶截面,应力变化迅速减少;
(4)偏载对结构顶板影响较小,对底板影响较大,非偏载侧的受力状况差于偏载侧,实际设计时要十分注意墩顶的扭转应力。
[1]汪劲丰,项贻强,徐兴.大跨度混凝土桥梁预应力空间效应分析[J].浙江大学学报(工学版),2005(1):154-159.
[2]汪劲丰,项贻强,徐兴.桥梁空间分析中预应力效应分析方法研究[J].2007,8(4):459-463.
[3]郑建新,李德建,廖宇.大悬臂弧线底板箱梁桥受力与试验分析[J].交通科技与经济,2009(5):68-70.
[4]李海峰.连续刚构宽箱梁桥空间应力分析[J].甘肃科技,2007,3(6): 151-152.
U448.21+5
A
1009-7716(2017)01-0043-04
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.012
2016-10-21
乐小刚(1975-),男,湖北孝感人,高级工程师,从事桥梁设计工作。