大跨连续梁中横梁横向钢束对人孔受力的影响分析

尹 华，李 炼

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

0 引 言

在连续梁设计时，为了满足检修功能，通常会在0号块中横梁处设置人孔。对于很多大跨连续梁结构，0号块的空间形状十分复杂。在0号块范围内，有沿桥跨方向变化的顶板、底板和腹板，并且在各个板件之间设置了不同形状的承托和倒角，各板件的受力分布很不均匀[1]。同时，由于设置人孔，在人孔周边会出现更为复杂的应力状态。在桥梁设计时，为准确把握该部位的应力分布情况，通常对0号块人孔进行单独分析。

本文结合工程实例，通过MIDAS CIVIL 对桥梁整体受力情况进行分析，同时根据圣维南原理，采用“把梁单元进行整体计算所得内力和位移作为局部切开处的内力和位移边界条件”的方法，提取整体计算中的结果，采用ANSYS 软件，提取0号块人孔局部结构进行实体分析[2]。

1 工程概况

某工程新建桥梁上部结构采用60 m+105 m+105 m+60 m 连续梁结构。上部结构总宽17.7 m，采用单箱双室结构，施工时采用挂篮悬臂施工。桥梁的桥型布置如图1 所示。

图1 桥型布置图（单位：m）

由于桥墩高度不高（4.5～10 m），14号墩采用固结墩，13号和15号墩设置支座。上部结构按照全预应力设计，采用纵向、横向和竖向三项预应力体系。

主桥上部结构采用60 m+105 m+105 m+60 m 连续梁结构，14号墩墩梁固结，13、15号墩设置支座，12、16号墩为过渡墩。主梁采用C60 混凝土。桥宽17.7 m，采用单箱双箱型断面，其中箱宽12 m，两侧悬臂各长2.85 m。腹板采用直腹板。主梁根部梁高6.3 m，跨中及边跨端部梁高为2.8 m。主桥0号块中横梁高6.3 m，厚3 m，中横梁与顶板和底板相交处均设置加腋，为方便以后检修，在中横梁处设置人孔。人孔为椭圆形，人孔高1.6 m、宽1 m，人孔中心距离中腹板边1.775 m，人孔底部距底板底1.75 m。为改善人孔周边局部受力，在人孔上下各设置了15 根φs15.2-3 的钢束，钢束平行于顶底板，采用交错单端张拉，均为直线线形。中横梁人孔横断面如图2 所示。

图2 中横梁人孔横断面图（单位：cm）

2 计算建模

2.1 整体模型

采用MIDAS CIVIL 建立全桥单梁整体模型[3]。建模时，全桥上下部整体建模。上部结构采用变截面三维空间梁单元模拟；桥墩单元采用等截面三维空间梁单元；桩基采用圆形截面梁单元，同时设置土弹簧来模拟土层的约束作用。全桥模型设置时考虑各个悬臂施工阶段，同时对施工挂篮荷载进行模拟。全桥共划分622 个空间梁单元，677 个节点。全桥空间模型如图3 所示。

图3 MIDAS 单梁模型图

2.2 0号块人孔局部实体建模

整体计算结束后，提取运营状态下14号固结墩和13号支座墩的内力，分别对两种不用约束条件下的0号块人孔应力进行分析。

在进行0号块空间应力分析时，根据圣维南原理，建模时应选取除包括0号块本身梁段外的一定范围的梁段[4]。分析时根据箱梁尺寸，各往外选取1 个梁段范围的梁段（即1号块位置），同时对固结墩建立桥墩模型，对支座墩建立支座约束模型。限于篇幅，本文主要给出支座墩13号墩的0号块人孔分析。

采用ANSYS 建模时，箱梁和桥墩模型采用solid95号单元，钢束采用link8 单元，共划分61 552个单元，92 944 个节点。为简化分析，不考虑普通钢筋的作用。钢束采用Link8 单元，link8 单元与solid95单元之间采用约束方程，将link8 单元节点与离其最近的solid95 单元节点进行耦合。0号块局部分析模型如图4 所示。

图4 0号块实体模型图

施加荷载时，为将MIDAS CIVIL 中整体模型的内力施加在实体模型上，需要在实体模型梁端建立质量单元mass21，然后将该单元与梁端截面上各个点之间采用刚臂进行连接，进而在质量单元上施加的节点内力就可以转化到梁端截面上。建模时质点位于节段两端截面的重心处。质量单元设置如图5所示。

图5 梁端ma s s 21 单元刚臂图

2.3 计算参数选择

（1）边界条件

梁底建出支座，支座底约束住平动方向，释放转动方向的约束。

（2）材料

主梁采用C60 混凝土，预应力钢束采用钢绞线。材料参数见表1。

表1 材料参数

（3）荷载

铺装荷载：按照10 cm 沥青铺装荷载，在梁顶面按照均布荷载施加。

梁端内力：读取MIDAS 整体模型中对应该实体模型梁端位置频遇组合下的内力，选取某一工况下弯矩和剪力均较大的内力值（见表2）。

表2 梁端内力值

车道荷载：对应在MIDAS 整体模型中，查看该工况下的车道影响线分布，按照车道的布置形式，将车道荷载转化为均布力施加在梁顶面。

2.4 计算工况

为了分析不同尺寸人孔周边应力的分布情况，按照以下三个工况分析：

工况1：人孔尺寸0.8 m×1.6 m(宽×高)。

工况2：人孔尺寸0.8 m×1.2 m(宽×高)。

工况3：人孔尺寸0.8 m×1.0 m(宽×高)。

3 分析结果

根据实体模型，查看3 种工况下中横梁人孔周边应力分布（见图6 至图11）。

图6 中横梁中心主拉应力云图（工况一）（单位：MP a）

图7 中横梁中心主压应力云图（工况一）（单位：MP a）

图8 中横梁中心处主拉应力云图（工况二）（单位：MP a）

图9 中横梁中心处主压应力云图（工况二）（单位：MP a）

图10 中横梁中心处主拉应力云图（工况三）（单位：MP a）

图11 中横梁中心处主压应力云图（工况三）（单位：MP a）

中横梁应力分析结果对比见表3。

表3 中横梁人孔周边应力分析结果对比表

根据箱梁C60 混凝土标号，全预应力结构频遇组合下混凝土截面最大拉应力容许值为σtp≤0.4 ftk=0.4×2.85=1.14 MPa；最大压应力容许值为σcp≤0.6 fck=0.6×38.5=23.1 MPa。

由上述应力云图及数值表可知，在成桥运营状况下：

工况1 时，中横梁人孔上部约有一半的范围内出现了拉应力，最大主拉应力约1.1 MPa；主压应力分布呈下大上小趋势，最大主压应力约6.9 MPa。

工况2 时，中横梁人孔周边大部分都是压应力，仅局部很小的范围内出现了拉应力，最大主拉应力约0.4 MPa；主压应力分布呈下大上小趋势，最大主压应力约5.2 MPa。

工况3 时，中横梁人孔周边几乎全部是受压状态，最小压应力约0.5 MPa；主压应力分布呈下大上小趋势，最大主压应力约5.2 MPa。

4 结 语

综上，本文以实际工程为例，采用ANSYS 对0号块进行实体分析。通过对不同尺寸的人孔进行分析计算，得到了人孔周边的应力分布情况。

计算结果表明，0号块中设置人孔，人孔上缘更容易出现拉应力。在人孔宽度不变的情况下，人孔越大，人孔周边出现拉应力的范围越大；人孔越小，人孔周边出现压应力的范围越大。人孔周边最大压应力主要取决于人孔距离底板的距离，如人孔底距离底板距离不变，人孔周边最大主压应力值随人孔高度变化较小。

故在工程设计时，在需要设置人孔的情况下，可以适当减小人孔尺寸，可以通行检修即可。较大的人孔尺寸，人孔周边可能会出现较大和较多范围的拉应力，不利于整个0号块的受力。