简支变连续双支座组合箱梁支反力空间分析

高合娇

（无锡市政设计研究院有限公司,江苏 无锡 214072）

简支变连续双支座组合箱梁支反力空间分析

高合娇

（无锡市政设计研究院有限公司,江苏 无锡 214072）

建立简支变连续双支座组合箱梁桥空间模型,分析支座受力,判定其支座在施工和使用阶段均不脱空。

简支变连续；双支座；组合箱梁；支反力；支座脱空

0 引言

简支变连续双支座组合箱梁桥在使用阶段,除了自重以外,还受到二期恒载、活载和温度等其他可变荷载影响。为了确保结构的稳定与安全,要求在各种工况条件下,支座均处于受压状态。支座脱空对于连续梁来说是非常不利的,会使支座受力不均,严重时可能使梁翻转。双支座组合箱梁桥支座在桥墩上双排排列,支座受力不均的可能性加大。因此需要验算双支座组合箱梁桥在使用过程中支座的受力情况,以便采取必要的措施保证所有的支座受压[1-3]。

通过对某座简支变连续双支座组合箱梁桥进行几种工况组合,分析双支座支承结构的受力性能,判定在最不利荷载工况组合下支座是否脱空,得出相应结论供相关人员参考。

1 工程概况

该简支变连续双支座组合箱梁桥位于某高速公路上,跨径布置为3×25 m,桥梁全宽11.7 m,横向布置4片小箱梁。箱梁梁高140 cm,在跨中处顶板、底板、腹板厚度均为18 cm；支点处底板和腹板加厚至25 cm。箱梁材料采用C50混凝土。预应力钢筋采用单根直径15.24 mm的低松弛钢绞线,桥面铺装为8 cm厚C40水泥混凝土调平层和10 cm厚沥青混凝土桥面铺装。竖向日照正温差T1=17℃、T2=6℃、A＝300 mm；竖向日照反温差T1=8.5℃、T2=3℃、A＝300 mm。图1是桥梁跨中横截面图。

图1 跨中横截面图（单位:cm）

2 结构分析空间模型的建立

用空间有限元程序ANSYS进行建模,当模型划分有限元网格之后,将单元形状开关打开,则该有限元计算模型如图2所示,支点截面单元如图3所示。

图2 全桥有限元计算模型

图3 支点截面单元划分

2.1 边界约束条件

ANSYS建立简支变连续双支座组合箱梁桥的空间模型,合理模拟其边界约束条件对结构的计算分析至关重要。

根据支座在桥梁纵、横向布置的方式,在ANSYS中对组合箱梁的边界条件进行合理约束。简支状态下每跨梁有4个支座,其中一个是双单向约束支座,另一个是单向约束支座,另外两个为双向活动支座。简支梁转换为连续梁后,支座位置仍然保持不变,两跨梁相邻的一个双向约束支座改为单向约束支座。三跨连续时再将一个双向约束支座改为单向约束支座,支座位置都不改变。

本桥使用板式橡胶支座,主梁与支座之间没有拉力结构,支座实际上只能受压,是不具备受拉能力的。因此将支座考虑成只能受压的支座,其计算结果才能符合实际情况。利用空间有限元程序提供的单向受力杆单元并在计算时将单元选项设置为Compression only,就可以模拟支座的实际受力状态。把不与箱梁相连接的一端节点所有自由度都约束,与箱梁结构连接一端根据桥梁具体情况来施加自由度约束。双支座组合箱梁的支座布置如图4所示,并对各个支座进行编号,见表1。

图4 支座布置示意图

表1 支座编号表

2.2 施工过程的模拟

简支变连续双支座组合箱梁桥的施工过程如下:

（1）先预制主梁,混凝土达到设计强度后,张拉正弯矩预应力钢束,并压注水泥浆；同时设置好支座,逐孔安装主梁,置于支座上形成简支状态。

（2）在日温度最低时浇筑连续段混凝土,达到设计强度后,张拉负弯矩区预应力钢束并压注水泥浆。

（3）浇筑剩余部分桥面板湿接缝混凝土,进行体系转换,最终形成三跨连续梁。

（4）桥面铺装及护栏施工。

梁在简支状态下时,自重效应已经发生。当结构转变为连续梁后,施加在结构上的所有荷载将由前后三跨梁共同受力。这种情况的连续梁设计就必须考虑结构体系的转换问题。用ANSYS大型通用有限元程序进行建模时,要利用其“单元生死”功能以及设置相应的载荷步来模拟施工全过程[4-5]。生死单元模拟施工过程的实现途径是,本阶段安装的单元在本阶段激活,不在本阶段安装的单元杀死。在每一步的转换分析中,结构将自动继承前一体系的单元初始状态。

ANSYS中载荷步的设置须反映施工过程中每一步骤的受力状况[6]。结合施工顺序,施工过程被划分为6个载荷步来实现,这6个载荷步分别为:

载荷步1:先预制主梁,混凝土达到设计强度后,张拉正弯矩预应力钢束,并压注水泥浆；同时设置好支座,逐孔安装主梁,置于支座上形成简支状态。

载荷步2:在日温度最低时浇筑墩顶处连续段混凝土。

载荷步3:连续段混凝土达到设计强度后,张拉负弯矩区预应力钢束。

载荷步4:浇筑剩余部分桥面板湿接缝混凝土,进行体系转换,最终形成连续梁。

载荷步5:桥面铺装及护栏施工。

载荷步6:施加活载。

第一个载荷步计算简支梁状态下的箱梁自重效应,这个可以用“单元生死”功能进行操作。先杀死三跨连续梁中间的连接单元和横向湿接缝的所有单元,这些单元要在后续施工载荷步中被激活。此时计算模型等同于三跨简支梁结构。边界条件上,在单元进行网格划分时考虑支点位置与节点的吻合,根据实际情况对简支梁结构施加自由度约束。结构自重按体积力考虑,设定重力加速度为9.8 m/s2,施加自重后进行求解。在后续载荷步中,根据实际施工过程把第一步中杀死的单元重新激活,此时计算模型等同于三跨连续梁。支点自由度约束也进行适当调整。各部件自重按体积力考虑,设定重力加速度为9.8 m/s2,随所在单元的激活而自动计入。桥面系荷载均按面积力考虑,在相应的载荷步中加入。温度荷载转化为阶段荷载施加到单元上。

3 各阶段支反力分析

3.1 施工阶段支反力分析

为了更好地分析各个支座实际受力状态,将计算后的各个支座在施工过程中恒载作用下即载荷步1～5的反力值提取出来,其中张拉负弯矩区预应力筋后支座反力值见表2。

简支变连续双支座组合箱梁桥各个支座在施工阶段的支反力值都是大于零的,说明在施工过程中支座都没有脱空。

表2 张拉负弯矩区预应力筋后支座反力 kN

3.2 使用阶段支反力分析

简支变连续双支座组合箱梁桥在使用阶段,除了自重以外,还受到二期恒载、活载和温度等其他可变荷载影响。支座上的竖向力有结构自重的反力、汽车荷载的支点反力及其影响力。在计算汽车荷载的支点反力时,应按照最不利的状态布置荷载计算,对于汽车荷载的作用,应计入冲击影响力。

按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）进行荷载组合,在分析中通过设置不同的荷载因子来考虑不同组合对应的荷载组合系数[7]。在此采用最不利的一种荷载组合进行计算。

由于等跨连续梁的边跨受力最不利,将汽车荷载按照偏载布置在连续梁的第一跨上,示意图如图5所示,则在汽车荷载作用下支座反力值见表3。

图5 汽车荷载作用示意图

表3 活载作用时的支反力kN

恒活载组合作用下的各个支座反力值见表4。

表4 恒活载组合时的支反力 kN

为直观地表示各支座在施工及使用过程中的反力变化情况,在后处理中可以取出各支座竖向反力随载荷步的变化曲线图,号为29～32的支座随载荷步的反力变化图如图6所示。

图6 支座号为29～32的支座反力图

由图6可以看出,29～32号支座在载荷步中的支反力值包括在恒活载不利组合作用下的反力值都是大于零的,说明在各个施工过程中支座始终参与作用,即使在边跨布置偏载时,在恒活载最不利组合作用下,中跨支座都处于受压状态；支座反力值线走向一致,中梁29和30号支座的支反力值接近,边梁31和32号支座反力值有所不同,这是因为中梁是对称的,边梁不对称且其上又有护栏的偏载作用。

在恒活载最不利组合作用下,同一个墩顶上的双排支座反力D和E（或B和C）支反力有较大的差值,见表5。同一个墩顶上的双排支座D列各个支座均比E列各个支座反力值小,总值相差1 726.2 kN,D列支座反力值是E列支座反力值的45.5%,31号支反力值（126.8 kN）仅是39号支座反力值（330.5 kN）的34.5%。同一个墩顶上的双排支座反力值相差较大,对墩顶的压力值相差较大,使墩顶受偏压作用。

4 结语

通过建立简支变连续双支座组合箱梁桥的空间模型,用载荷步模拟各个施工阶段和运营阶段,各个支座在各个载荷步中的支反力值都是大于零的,说明在施工和运营中支座都没有脱空。

表5 墩顶支反力值 kN

在恒活载最不利组合作用下,同一个墩顶上的双排支座反力值和有较大的差值。由于对墩顶的压力值相差较大,使墩顶受偏压作用。

[1]李睿,王鹏,康慷.无支座转换的简支转连续梁桥的计算方法[J].城市道桥与防洪,2007(1):31-33.

[2]杨万里,项贻强,汪劲丰.先简支后连续分布式箱梁桥后连续预应力合理张拉顺序研究[J].公路交通科技,2008,25(1):79-87.

[3]张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]赵晓梅,周质炎.ANSYS在结构体系转换及结构优化中的应用[J].特种结构,2005,22(2):66-67.

[5]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[6]陈光明,唐家祥,李黎,等.组合梁桥施工过程的数值模拟[J].华中科技大学学报（城市科学版）,2003,20(1):18-21.

[7]颜毅,杜鹏,高英祚,等.桥梁施工过程分析在ANSYS中的实现方法[J].重庆交通大学学报（自然科学版）,2007,26(s1):18-21.

U443.3

A

1009-7716（2017）07-0073-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.022

2017-03-13

高合娇（1983-）,女,山东菏泽人,工程师,从事桥梁设计工作。