基于有限元的装配式简支T梁桥力学性能分析与地震响应

周俊峰 王骐

摘要 文章以实际某工程为依托，利用Sap2000有限元软件对装配式简支T梁桥模拟计算;探讨了装配式简支T梁桥在移动荷载下的力学性能与其在地震荷载下的应力应变大小与最不利位置。计算结果表明，在桥梁最不利承载荷载组合下，主梁的最大挠度、微应变均发生在每跨梁的跨中。地震作用下，主梁的挠度大小可忽略不计，最大位移发生在桥墩墩顶位置，最大弯矩剪力发生在墩底位置。同时主梁与墩顶都发生了大幅度的水平位移，同时桥墩出现较大的应变。

关键词 有限元模拟;力学性能分析;最不利位置;地震响应

中图分类号 U448.216 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0091-03

0 引言

简支梁桥其结构本身为静定结构，相邻各跨单独受力，受力相对单纯，且不受支座变位等影响，因此适用于各种地质情况。构造简单容易做成标准化、装配化构件，制造、安装都较为方便。正常情况下，桥梁不会有刚体位移，而在内力作用下，一端可以自由变形，因此不会产生多余的次内力。

这种结构也使简支梁桥存在着一定缺陷，即其固定铰支座在起到约束桥梁纵向变形作用的同时，其活动支座端则会存在相对滑动，可能会在最不利荷载或地震作用下发生结构破坏。故该文以某实际工程为依托，利用有限元软件考虑其最不利荷载情况与地震作用下的响应，判断危险截面位置，对桥梁后续的安全运营与健康监测提供一定理论依据[1]。

1 有限元模型的建立

1.1 桥梁概况

西南地区某桥采用装配式钢筋混凝土简支T梁;双柱式桥墩，桥墩直径为1 m、1.2 m，钻孔桩基础及明挖扩大基础。桥梁全长143.26 m，单跨每跨16 m，设有1.2%的斜坡。桥宽12 m，左右两端设有1.5 m人行道，双向两车道设计，并设置0.5 m防撞护栏。设计荷载为公路I级。桥梁立面与主梁横断面分别如图1所示。

1.2 有限元模型建立

首先运用AutoCAD建立桥梁的二维模型，简化为杆件单元。

设置桥梁边界条件与约束如下：

（1）桥墩底部设置为固定端，主梁左端设置为固定铰，右端设置为活动铰。

（2）每一跨简支梁的桥墩顶部一点与桥梁主梁伸缩缝处的两点进行节点约束的指定，其中，三点同时指定约束Equal Z，靠活动铰一边的点与桥墩顶部的点指定节点约束Equal X[2]。

导入模型与有限元模型平面模型分别如图2所示。

主梁与桥墩分别使用C50、C30钢筋混凝土材料;设置好截面属性后，将其指派给相应的单元。桥梁3D有限元模型如图3所示。

桥梁设有双向两车道与两边人行道，设计荷载为公路I级。温度荷载按照升温30℃与降温30℃定义。各车道中心线偏移位置如表1所示。

根据规范，该文车辆荷载定义了CD、CL、REN350，如表2所示。

地震的加速度数据在SAP2000中可以通过时程分析的定义来实现。该桥模拟采用汶川地震地震波，比例系数取0.41，输出时段大小为0.02，计算得出时段数值为25 000。

该文主要考虑以下四种组合：

（1）CDRS：车道+人群+升温30℃（1.4CD+1.05REN

+0.8SW30）;

（2）CDRJ： 车道+人群+降温30℃（1.4CD+1.05REN

+0.8JW30）;

（3）MCL：车辆（CLZ//CLP）;

（4）MAXMIN：此组合是前三种组合的包络形式组合。

2 计算结果分析

结构模型建立后，在SAP2000中开始对所创建的模型进行计算分析。运行分析时，直接参考数据为MAXMIN组合中数值进行处理分析。

2.1 活载和温度作用下力学性能

结构在受力或受到非均匀温度变化时，杆件在垂直于轴线方向产生的线位移为结构的挠度，永久作用和可变作用都是影响结构挠度的重要因素。

全桥从左到右将主梁命名为1-9#梁。主梁上节点的最大竖向位移为1.222 cm，位置处于7#梁1/2处，该桥计算跨径为16 m，计算桥梁竖向位移为2.67 cm，符合要求[3]。

弯矩最大值发生截面在每一号梁的中部，桥墩主要承受轴力;计算可得其最大应变值为12.21个微应变，该值远小于钢筋混凝土设计规范中混凝土的极限压应变。

计算出各杆件的应变值。部分计算所得结果如表3所示。

较大的正弯矩都发生在主梁部分每跨的跨中位置。其截面底部下边缘承受全梁最大的拉应力，上边缘承受最大的压应力。截面下边缘微应变最大值出现在3#梁、4#梁、5#梁、9#梁跨中截面的下边缘，其中最大微应变为113。

2.2 地震作用下桥梁响应

地震作用对结构的破坏力度很强，这也对结构的性能提出了更高的要求。地震作用时，主梁和桥墩都有较大的水平位移[4]。地震作用下Step50桥梁的变形如所图4所示。

从图4看，主梁的挠度大小基本忽略不计;该桥由于其简支梁的结构特点，每个桥墩墩顶的横向位移与每跨主梁一致，下面只列出在地震作用桥墩上节点的横向位移。

表4为地震作用下桥墩节点的最大最小水平位移。

由表4可见，桥墩上的最大位移发生在5～8#桥墩墩顶位置，同时与主梁上位置对应。

在地震作用下，桥墩承受了绝大部分的弯矩，轴力发生在主梁上且其数值很小可以忽略不计。地震作用的弯矩包络图如图5所示。

表5为桥墩上危险截面微应变。

桥墩承受了较大的应变，主要发生在每个桥墩的底部以及桥墩的3/4处到1/2处，其中最大微应变值为362，位置在5#墩底部[5]。

3 结论

该文主要对所建立的有限元模型的计算结构进行处理分析得到桥梁在不同工况下的力学性能，同時分析了地震作用下简支梁桥的地震响应。

（1）在桥梁最不利承载荷载组合（MAXMIN组合）下，主梁的最大挠度、微应变均发生在每跨梁的跨中。

（2）在移动荷载与温度作用下，由主梁承受绝大部分的弯矩，是挠度和应变的主要发生点。桥墩承受大部分轴力（压力），在此情况下，重点监测主梁的挠度与应变值。

（3）在地震作用下，桥墩承受主要弯矩，而墩底则是应变最大最小值的发生点。主梁与墩顶都发生了大幅度的水平位移，同时桥墩出现较大的应变。

参考文献

[1]游四方，郑史雄，贾宏宇，等.地震作用下简支梁桥纵向碰撞模拟[J].铁道标准设计，2020（12）：59-66.

[2]高文军，兰海燕，张奔牛，等.公路大跨度桥梁建设期抗震设防标准研究[J].桥梁建设，2021（2）：47-53.

[3]王戒躁，钟继卫.大跨桥梁健康监测系统设计构成及其进展[J].桥梁建设，2009（2）：7-11.

[4]贾玉琢，贤鹏，李曰兵.基于时程分析法分析500 kV长短腿猫头直线塔的地震反应[J].四川建筑科学研究，2011

（1）：141-145.

[5]邬晓光，徐祖恩.大型桥梁健康监测动态及发展趋势[J].长安大学学报（自然科学版），2003（1）：39-42.