连续箱梁桥0#块受力有限元分析

高 猛，王丽娟，李 宁

（1.山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250031；2.吉林省鹏晟工程咨询有限公司，吉林 松原 138000）

引言

连续箱梁0#块的受力较为复杂，如何对其进行较精确的结构分析是一个复杂的问题。一些设计者提出了采用两次平面杆系有限元的方法来进行连续箱梁横隔梁的设计计算，先通过平面杆系有限元程序进行全桥纵向分析，计算出最不利的横隔梁的弯剪等内力值，根据弯矩、剪力与分布荷载集度间的关系原理，求算出等效荷载，将等效荷载再次应用到平面杆系桥梁程序中。随着连续箱梁在桥梁工程中更加普及，人们要求结构分析能够真实反映实际情况，通过建立有限元实体模型，计算分析连续箱梁0#块在各工况下的应力分布情况。

1 工程概况

某预应力连续梁桥跨径布置为55 m +100 m +55 m，主梁采用单箱单室截面，为三向预应力混凝土结构。桥梁上部结构采用挂篮悬浇法施工，按照移动挂篮、浇注梁段、张拉预应力钢束的顺序循环施工，完成对称悬浇后，浇注边跨现浇段。全桥平面杆系模型见图1。

2 实体有限元模型的建立

图1 全桥纵向杆系模型

通过大型有限元通用软件Ansys对该桥0#块及附近1#块建立实体模型，对0#块进行有限元分析。在1#块悬臂边缘建立主节点，形成刚域来模拟其它梁段的约束作用。利用1#块作为边界约束，并在0#块底部施加支座约束。采用solid95单元模拟混凝土，link8单元模拟预应力束，全模型共有93 074个单元，152 338个节点，见图2。

图2 箱梁0#、1#号块实体有限元模型

计算在恒载、活载、横向预应力等3种工况下，0#块的应力分布情况。采用等效降温法来模拟横向预应力，该方法是通过设置各向异性的温度应变系数，经过应力-应变关系推算，在给定的温差下就可获得与预应力产生的应变等效的效果。

3 结果分析

3.1 恒载工况下计算分析

在箱梁纵向上由于腹板刚度较大，腹板作为纵向的主要传力构件将大部分荷载传递至横隔梁，而后传递至下部结构。顶、底板也可传递部分荷载，其与腹板所传荷载按1∶4比例分配可比较接近真实状态。根据所建立的全桥平面杆系模型可得模型自重，将其按比例分配至腹板与顶、底板，见图3、图4。

图3 恒载工况第一主应力云图

图4 恒载工况横向正应力云图

可知：（1）在恒载工况下，0#块与邻近接触处的腹板外侧及顶板处均出现约3 MPa的主拉应力。（2）在0#块内部分布1 MPa左右的主压应力。（3）0#块与邻近接触处的腹板外侧出现最大4.03 MPa正压应力，上部应力分布较均匀，大小为0.7 MPa左右。

3.2 活载工况下计算分析

简化考虑活载影响，将活载产生的支反力20%按均布荷载分配到顶板、底板处；80%分布到腹板位置，见图5、图6。可知：（1）在活载工况下，0#块与邻近接触处的腹板外侧有最大约1.5 MPa的主拉应力；翼缘板根部出现较小的主拉应力，其余部位应力分布较均匀。总体可见，活载作用对模型的第一主应力影响较小。（2）对于横向正应力，上缘中部正压应力约为45.4 kPa，0#块梁与邻近接触处的腹板外缘出现最大的正压应力，大小约为432.4 kPa。

图5 活载工况第一主应力云图

图6 活载工况横向正应力云图

3.3 横向预应力工况计算分析

在横向预应力单独作用下，0#块应力分布情况见图7、图8。可知：（1）在横向预应力工况下，横隔梁底部的横向预应力钢束处分布有最大主压应力，大小约499.2 kPa；在横隔梁上部的横向预应力钢束处分布最大主拉应力，大小约为2.56 MPa。横隔梁其它部位分布有较小的主拉应力，邻近梁段主应力较为均匀，且均在较小范围内，可忽略不计。（2）对于横向正应力，0#块上缘分布1 MPa左右的正压应力，下缘正压应力较为均匀，其中下缘中部的正压应力为721.8 kPa。

图7 预应力工况第一主应力云图

图8 预应力工况横向正应力云图

4 结语

建立连续箱梁0#块与邻近梁段的空间实体有限元模型，根据所建立的全桥平面杆系模型计算出实体梁段的受力情况，并将之加载到空间实体有限元模型中，计算得出模型在恒载、活载、横向预应力等3种工况下横隔梁的应力状况：（1）墩顶横隔梁在恒载、活载工况下的应力分布较为均匀。其中横隔梁上部分布较为均匀的正压应力，下部分布较为均匀的正拉应力，且最大正压应力均出现在横隔梁与邻近梁段接触处的的腹板外缘，两种工况下最大正压应力分别为4.03 MPa和0.432 MPa。（2）在横向预应力工况下，横隔梁的上、下部均分布较均匀的正压应力。其中上部的正压应力约为0.53 MPa，下部正压应力约为0.7 MPa。