连续刚构桥0#块空间应力分析

彭林峰　彭安银

作者简介：

彭林峰（1992—），硕士，助理工程师，主要从事高速公路建设管理以及试验检测等工作;

彭安银（1995—），硕士，主要从事高速公路建设管理以及科技信息化管理等工作。

摘要：文章以某连续刚构桥的0#块为研究对象，建立Midas FEA有限元模型，对其成桥后正常使用极限状态下的0#块空间应力状况进行分析，同时对0#块各关键截面的应力集中效应进行研究。结果表明：在刚构桥0#块的设计中，应重点考虑顶板纵向预应力对0#块应力分布的改善作用;0#块的横向应力和竖向应力不可忽视;0#块横隔板过人孔区域出现拉应力，建议在该区域布置构造钢筋;0#块截面倒角处存在应力集中现象，应严格控制倒角形状和尺寸。

关键词：连续刚构桥;0#块;有限元分析;空间应力

中国分类号：U448.23A431575

0 引言

连续刚构桥由于其优异的力学性能和突出的跨越能力，在我国公路桥梁中占据重要地位[1-2]。在连续刚构桥的设计施工中，改善墩顶0#块应力分布一直是研究的重点。由于0#块梁高较高，且在顶底板、腹板和横隔板交界处均存在不同形状的倒角，其几何结构较一般箱梁截面更为复杂。由于縱、横、竖向预应力管道和普通钢筋的存在，导致0#块受力复杂且呈三向应力分布状态[3-5]。若采用普通梁单元进行空间杆系分析将导致计算结果与实际情况存在较大偏差，影响连续刚构桥的施工与运营安全。已有学者对0#块进行了实体有限元分析，并建议了优化设计策略[6-10]。0#块作为刚构桥的重要受力构件，为防止其在运营阶段出现开裂甚至压溃等状况进而影响桥梁结构安全，对0#块进行成桥后的空间应力状况分析具有重要意义。

本文以某大跨连续刚构桥的0#块为研究对象，选取成桥运营阶段的最不利工况，对0#块的空间应力状况进行分析，对0#块的应力集中效应进行研究，并基于研究结果建议优化控制措施，为大跨径连续刚构桥的设计施工提供参考。

1 工程概况

某桥为（72+130+72）m三跨预应力混凝土连续刚构桥，上部结构箱梁仅考虑采用纵向预应力筋。0#块长12 m，顶板宽15.5 m，底板宽8 m，梁高7.5 m。主梁采用C55混凝土，桥墩采用C40混凝土。在0#块内对应桥墩位置处设横隔板，在横隔板中设过人孔。下部桥墩采用双肢薄壁墩，桥墩为（8×1.5） m的实心矩形截面，双肢薄壁桥墩中心距离为5.5 m。桥墩横向与0#块梁底等宽。0#块的具体尺寸如下页图1所示。

2 有限元模型的建立

0#块的应力状态与整个结构的应力分布是相互关联的。根据圣维南原理[11]，本次分析将箱梁0#块和1#块以及5 m长的主桥墩作为研究对象，在Midas Civil软件中将空间杆系单元导出，形成空间实体单元，利用Midas FEA的布尔并集运算建立0#块的空间实体有限元模型。混凝土采用实体单元模拟，特性赋值为C55。计算模型采用自动实体网络划分单元，共划分为131 524个单元，30 890个节点。模型边界条件在墩底采用固结处理，以约束墩底所有节点的线位移和角位移，在主梁截断面处形成刚性面再按内力边界条件施加。建立的0#块Midas FEA计算模型如图2所示。

本文先利用Midas Civil软件建立全桥的梁单元杆系结构模型进行整体内力求解，得到成桥状态下0#块两端的内力值。利用Midas FEA建立0#块的局部实体有限元模型，并将成桥状态下的内力添加在0#块刚性面的主节点上，主节点位于该截面的重心位置。本文0#块考虑的荷载工况为结构自重、二期恒载以及其他结构部分对0#块产生的作用力。结构自重及二期恒载可直接在FEA中施加。在Midas Civil软件中提取其他结构部分对0#块的作用力施加在主节点上，如表1所示。

3 结果与讨论

利用MIDAS FEA对0#块进行仿真分析，可以计算出实体模型中任意单元及节点的位移、应力及应变。本文从不同方向的正应力以及主拉、主压应力等角度考虑0#块各截面位置的空间应力状况以及应力集中效应。

3.1 纵向正应力分析

如图3所示为0#块纵向正应力分布云图。由图3（a）可知，0#块底板的纵向正应力分布规律为：底板处于受压状态且压应力较大，压应力区间为-11.64～-8.69 MPa，最大值为-20.47 MPa（正号表示拉力，负号表示压力，下同），未超过C55混凝土的抗压强度设计值。0#块顶板的纵向正应力分布规律为：顶板均处于受拉状态，拉应力区间为11.94～14.88 MPa，其值远大于C55混凝土的抗拉强度设计值，因此需要在0#块顶板上布置较多的预应力钢束以改善0#块顶板的应力分布，防止顶板因承受较大拉应力而开裂。0#块腹板的纵向正应力分布规律为：腹板呈现拉压应力并存现象，因此需要在腹板适当布置纵向预应力钢束。0#块横隔板的纵向正应力分布规律为：横隔板呈现拉压应力并存现象，其应力区间为-2.79～0.15 MPa。横隔板与顶板和腹板的交界处出现拉应力，其应力区间为0.15～3.09 MPa，拉应力部分大于C55混凝土的抗拉强度标准值。在过人孔附近出现拉应力，其应力区间为0.15～3.09 MPa。横隔板与顶板倒角处出现拉应力，其应力区间为6.04～11.94 MPa。横隔板与底板倒角处的应力区间为-8.68～-5.74 MPa。[JP6]横隔板与腹板倒角处呈现拉压应力共存现象，其应力区间为-8.68～-11.94 MPa。

如图3（b）所示，纵向正应力分析表明该0#块的顶板端部截面处出现了应力集中效应，最大值为26.66 MPa。0#块的墩梁固结处应力状况复杂，且出现应力集中效应。在与底板和桥墩的交界处，出现较大压应力，其应力区间为-11.64～-17.53 MPa，应力呈阶梯形分布。结果表明，在墩梁固结处，压应力集中效应明显，且其值较大。

3.2 横向正应力分析

如图4所示为0#块横向正应力分布云图。由图4可知，0#块顶板的横向正应力分布规律为：顶板呈现拉压应力并存现象，最大拉应力位于顶板上缘，其值呈散状分布，应力区间为0.25～3.10 MPa。在顶板端部处出现应力集中现象，最大值为6.67 MPa。压应力出现在顶板下缘，呈中心辐射渐变分布，其应力区间为-3.32～-0.46 MPa。0#块腹板的横向正应力分布规律为：腹板呈现拉压应力并存现象，最大压应力为-1.18 MPa，出现在腹板与底板交界处，最大拉应力为0.25 MPa，出现在腹板与顶板交界处。0#块底板的横向正应力分布规律为：底板呈现拉压应力并存现象，最大压应力为-4.74 MPa，出现在底板下缘靠近桥墩处，最大拉应力为2.40 MPa，出现在底板上缘，拉应力呈中心辐射渐变分布。0#块横隔板的横向正应力分布规律为：横隔板呈现拉压应力并存现象，最大拉应力发生在过人孔附近，其值为3.81 MPa，最大压应力发生在横隔板与顶板交界处，其值为-2.60 MPa。

3.3 竖向正应力分析

如下页图5所示为0#块竖向正应力分布云图。由图5可知，0#块顶板的竖向正应力分布规律为：顶板出现拉压应力并存现象，且其值呈交替分布状态，最大压应力发生在顶板上缘，其值为-1.36 MPa，最大拉应力为1.32 MPa。在顶板端部处出现应力集中现象，最大值为6.67 MPa。0#块腹板的竖向正应力分布规律为：腹板受压，最大压应力为-5.37 MPa，出现在腹板与底板交界处。0#块底板的竖向正应力分布规律为：底板受压，最大压应力为-9.38 MPa，出现在底板下缘靠近桥墩处，同时在此处出现应力集中现象，压应力在此处呈中心辐射渐变分布。0#块横隔板的竖向正应力分布规律为：横隔板呈现拉压应力并存现象，最大拉应力发生在过人孔附近，其值为1.32 MPa。

3.4 主应力分析

如图6（a）所示，0#块的主拉应力主要表现为横向拉应力。0#块的主拉应力分布规律为：顶板承受拉应力，其应力区间为10.09～18.08 MPa，在顶板断面处端部出现应力集中现象，最大值为28.08 MPa。底板呈现拉压应力并存现象，其应力区间为-3.90～0.01 MPa。横隔板也出现拉压应力并存现象，应力区间为-1.90～2.09 MPa。底板与桥墩交界处、横隔板与顶板底面均出现应力集中现象，最大拉应力为8.09 MPa。图6（a）的主拉应力分析表明0#块的拉应力大部分出现在顶板，拉应力区间为12.09～14.09 MPa，大幅超出了C55混凝土的抗拉强度标准值。在主拉应力状态下，压应力所占比值较小，压应力区间为-1.90～-0.01 MPa。顶板拉应力和底板部分拉应力均大于C55混凝土的抗拉强度标准值，应力集中区域的主拉应力部分大于C55混凝土的抗拉强度标准值。

如图6（b）所示，0#块的主压应力主要表现为纵向压应力，此时，0#块顶板呈现拉压应力并存现象，其应力区间为-3.44～5.25 MPa。底板受压，其应力区间为-22.55～-8.65 MPa。横隔板呈现拉压应力并存现象，其应力区间为-10.39～1.78 MPa。

4 结语

本文针对某连续刚构桥的0#块进行空间应力分析，可得出以下结论：

（1）0#块顶板拉应力较大，应力区间为11.94～14.88 MPa，大幅超过了C55混凝土的抗拉强度设计值，故应着重考虑顶板纵向预应力钢束对0#块拉应力分布的改善作用。

（2）在單箱室箱梁0#块中，横向应力和竖向应力不容忽视。该桥0#块顶板上缘横向最大拉应力为3.10 MPa，顶板下缘横向最大压应力为-3.32 MPa。顶板上缘拉应力、下缘压应力均较大，开裂风险高，需设置横向预应力钢筋。腹板的最大拉应力为14.88 MPa，需在腹板处设置竖向精轧螺纹钢筋来抵抗0#块竖向及横向拉应力。

（3）0#块截面倒角处局部应力集中显著，最大拉应力为11.94 MPa，最大压应力为-11.64 MPa。在0#块施工时，要确保尺寸准确、截面倒角圆滑，以此来减少应力集中效应。

（4）在横隔板过人孔区域出现了0.15～3.09 MPa的拉应力，应在横隔板的过人孔处布置构造钢筋。横隔板处出现拉压应力并存现象，其最大拉应力为6.04 MPa，开裂风险较高，故需在横隔板处布置横向预应力筋。

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