基于有限元的混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段受力性能模拟分析

谭小磊

（中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁）

引言

大型跨接混凝土连续箱梁桥的加宽是高速公路扩容工程中最重要的环节。为了使原来的桥梁得到更大的扩展，在工程建设中往往会在已建成的老桥的两边建造类似的新型桥梁[1]。新桥和旧桥的联系是由翼板完成的，二者的连接形成一个完整的桥梁体系[2]。为进一步促进这一施工方式的适应性提升，以铜仁市沿河经印江（木黄）至松桃高速公路为依托，针对该桥梁的拼宽施工，对拼接段的受力性能进行分析。

1 工程概况

以上述工程项目为依托，该项目重点是对混凝土连续箱梁拼接桥的拼接段进行施工。该工程拟建桥地点在沿河县团结街道的东南方，与沿德高速连接，以完成本工程与沿德高速的交通转换。该桥址位于贵州中部黔北山地高原南部，大娄山脉和武陵山脉的交界处，该地区的建设工程位于贵州平原到湘西山区与四川盆地的交界处，属于武陵山脉的西北翼、大娄山脉的东南翼，整体上呈南北长、东西窄的带状，地势起伏不定。该项目所在位置存在东南区域和西北区域地势较高，而其他区域地势相对较低的特殊结构，其中乌江山谷的地势最低，项目覆盖的所有区域均在乌江峡谷地势结构当中，乌江的水流很深，所以地形比较复杂。同时，通过进一步勘察得出，施工区域最高海拔达到1 324.2 m，最低海拔为325.24 m。互通区是扬子准地台八面山褶皱带武陵凹陷褶皱区，新华夏系的次生沉降带属于新华夏系，其总体上是褶皱断裂；构造线多为NNE 和NE，少部分为NNW。断裂以背斜的核部和侧翼为主，断裂的组合形态为束状、阶梯状、地堑、地垒型等，多为压力和压扭作用所形成的正断层，以及局部的逆向断层。本桥座落在沿河县团结街道东侧，拟建设桥位在贵州高原与湘西山区、四川盆地之间的一个坡度上。路线纵段较高，本桥最大桥高约36.45 m，最大墩身高度约为33.05 m，桥梁孔径布置及桥长主要受两岸地形控制。

结合桥位处地形、地质、水文和场地条件等特点，从工程安全、施工可行、环保、经济、景观等方面考虑，设计方案上部为5X20 m 的普通混凝土连续箱梁。根据桥面高度和桥跨的不同，桥墩下部为矩形墩身，桥台为柱状平台，地基为桩基；在桥台和分接头部位，伸缩缝均为80 型；该桥全长100 m，不包括桥台耳壁。桥梁的起始桩编号CK0+666.164、CK0+769.204、CK0+719.204。本桥平面分别在参数59.161 的左偏缓和曲线，右偏圆曲线为180 m。纵向剖面在垂直凹型曲线上，i1=-4.000%,i2=2.698%（R=700.358）。桥面交角位置垂直，桥台背壁前端连线、桥墩中心线以及桥面设计线之间的倾角均为90°。图1 和图2 分别为该项目中连续箱梁平面特征线示意图和结构剖面示意图。

图1 本文研究项目连续箱梁平面特征线示意图

图2 本文研究项目连续箱梁结构剖面示意图

针对上述工程概况，为实现对其拼接段受力性能的模拟与分析，下述将对其进行有限元模型的构建。

2 混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段受力性能数值模拟

2.1 有限元模型建立

结合上述工程概况，利用迈达斯建模软件对混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段进行有限元模型构建。在迈达斯软件中，利用图3 所示的梁格法对模型进行网格划分。

图3 梁格法模型网格划分

先将原结构离散为等效梁格，再将其上的挠曲刚度和扭转刚度分别分配给相邻的相邻主梁，从而实现对原有结构的纵向、横向应力模拟[3]。同时，在对梁进行分割时，各梁的刚度必须满足在受到外载的情况下，在相同的面积上，梁的受力应当大致相同的条件。任何一个板状结构单元在垂直方向上的扭力和扭力都是一样的，而在梁格模式下，由于两种结构特征的差异，其正交方向的转矩和扭力往往不一致。如果梁格切得足够细，则梁的模型就会产生弯曲的弯曲，从而使其近似为等值[4]。因而，在梁的分割上，越细的划分，其结果就越准确。梁格法在大部分断面上仍能达到计算精度的要求。

在完成上述操作后，迈达斯软件自动生成混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段的有限元模型，如图4 所示。

图4 混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段有限元模型

对上述构建的有限元模型，确定划分方式，为后续计算每个构件的受力特性提供依据。在构建混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段有限元模型时，还需要将拼接桥各项材料特性对应参数输入到迈达斯软件当中，包含参数如表1 所示。

表1 拼接桥各项材料特性对应参数记录表

针对不同的受力划分不同，通常情况下在划分梁格有限元模型时，每根主梁的中线都要尽可能地与其所处的腹板中线相一致，以便通过相邻的梁格梁上的作用力来计算原始截面的受力。证梁格法计算时，各单元间的分段长度不能太大[5]。由于基坑周围的内力变化很大，因此在这里进行网格划分时要进行加密。

2.2 受力特性分析

按照上述要求，完成对拼接段有限元模型的划分后，针对拼接段纵向截面抗扭惯性矩的计算：

式中，id表示拼接段纵向截面抗扭惯性矩；h 表示拼接段纵向截面高度；t1表示连续箱梁型截面顶部厚度；t2表示连续箱梁型截面底板厚度。再针对拼接段横梁截面的受力特性进行计算。为了达到计算的精确性，横梁的横向分块要求不大于主梁反弯点间隔的四分之一。在此基础上，采用绕顶和底板的水平中轴线进行计算，其公式为：

式中，i 表示拼接段横梁截面的受力。由于横截面剪力值的计算必须同时考虑纵向剪力的影响，而且薄壁箱梁的纵向刚度很低，在纵向剪力作用下，往往会引起箱形截面的扭转，从而影响到顶板、底板和腹板的尺寸，如图5 所示。

图5 拼接段扭转变形原理示意图

根据图5 所示的拼接段扭转变形原理，对其剪力情况进行计算，其公式为：

式中，V 表示拼接段扭转变形剪力；b 表示单位宽度横向构件等效剪切面积；Ev 表示抗弯刚度；tw表示反弯点位置数据。

根据上述公式计算得出拼接段的剪力大小。通过上述计算，确定混凝土连续箱梁拼宽桥在拼接段上的受力特性。

3 实例分析

根据上述论述思路，针对上述所述的拼宽桥建设项目，为实现对其受力性能的分析，基于上述计算公式，对拼接段在拼接前后有限元模型的挠度变化和应力变化进行计算，并得出相应的挠度偏载系数和应力偏载系数，前者可以通过拼接前后挠度差值与拼接前挠度的比值得出，后者可以通过拼接前后应力差值与拼接前应力的比值得出。先完成对混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段在拼接前、铰接后和刚接后挠度的计算，其计算结果记录如表2 所示。

表2 拼接段挠度计算结果记录表

从表2 中记录的数据可以看出，拼接前在拼接段上的挠度偏载系数为1.12，小于经验偏载系数1.15；拼接后由于拼宽桥整体刚度提升，因此无论是刚接还是铰接，拼接段上的应力均得到了一定程度的降低，并且挠度偏载系数也同样减少，达到了1.04。因此，针对混凝土连续箱梁拼宽桥的挠度偏移系数可以适当降低，以此能够达到节省施工材料的效果，同时建议在施工方案设计中按照偏载系数为1.12 进行计算，以此得到更加合理的施工方案。

在针对混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段拼接前、铰接后和刚接后的应力进行计算，并将计算结果记录如表3 所示。

表3 拼接段应力计算结果记录表

从表3 中记录的结果可以看出，拼接前与拼接后相比，纵梁应力、最大应力、平均应力等参数数值均得到不同程度地提升。在拼接前拼接段的应力偏载系数为1.14，未超过经验偏载系数1.15，而在进行拼接后，拼接段整体刚度提升，无论是采用刚接还是铰接的方式，拼接段上的应力均得到明显降低，并且应力偏载系数也均出现不同程度的降低，控制在了1.08～1.09范围内。因此，在进行对该混凝土连续箱梁拼宽桥拼接段的施工方案设计时，可以将偏载系数1.15 作为拼宽桥新桥的应力偏载系数，以此能够充分满足该桥梁的承载能力要求，并且也能够为桥梁安全提供一定储备。

4 结论

通过本文上述论述，选择以某高速公路建设项目作为依托，针对该工程项目中的拼宽桥结构，对该桥梁拼接段进行受力性能的分析。通过在迈达斯建模软件中对拼接段的有限元模型构建，并针对拼接段的挠度和应力，可为施工方案的制定提供更可靠的依据。同时，在实际对拼接段受力性能进行分析时，不同跨度的偏载系数不同，边跨的偏载系数通常大于中跨，因此说明汽车偏载效应下的最不利位置在边跨。基于这一特点，在施工方案制定时应当强化边跨的承载力等力学性能，从而提升拼接段整体运行质量。