非通航孔灘涂區(qū)50m箱梁橋空間仿真分析

非通航孔灘涂區(qū)50m箱梁橋空間仿真分析

1分車運(yùn)輸及吊裝設(shè)計(jì)杭州大橋位于杭州中部，北接嘉興海鹽，南連寧波西溪。這座橋長(zhǎng)36公里，其中部分長(zhǎng)約32公里。該區(qū)海域南端為三北淺灘,范圍廣闊,受海潮漲落影響,施工條件極為惡劣,該段橋梁的設(shè)計(jì)與施工是杭州灣大橋工程關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)灘涂區(qū)橋梁方案的比較,上部結(jié)構(gòu)采用50m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁整孔預(yù)制架設(shè)。非通航孔采用先簡(jiǎn)支架設(shè)后期連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式,一期恒載及施工荷載作用為簡(jiǎn)支體系,二期恒載及活載為連續(xù)體系。箱梁為整孔預(yù)制,預(yù)制節(jié)段總重1350t,通過(guò)提升站將箱梁放至大型運(yùn)梁車上,采用1350t大型運(yùn)梁車按梁上運(yùn)梁方式將箱梁運(yùn)至待架位置,見圖1。運(yùn)梁車由4個(gè)輪胎式平板車組成,分設(shè)于4片主梁上。采用雙導(dǎo)梁式架橋機(jī)架梁,見圖2。箱梁置于臨時(shí)支座上。一聯(lián)箱梁吊裝完成后,一次性現(xiàn)澆墩頂濕接頭,張拉負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力束,完成體系轉(zhuǎn)換,形成連續(xù)梁。以往三維實(shí)體單元法主要受計(jì)算機(jī)硬件限制,一般僅用于橋梁結(jié)構(gòu)的局部分析,如橋梁結(jié)構(gòu)承臺(tái)、斜拉橋索塔以及主梁錨固區(qū)、連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁結(jié)合部等,對(duì)此類結(jié)構(gòu)的局部分析可以采用從整體結(jié)構(gòu)中取出隔離體,將整體分析得到的隔離體截面內(nèi)力或位移條件作為隔離體邊界條件,用三維實(shí)體單元進(jìn)行子結(jié)構(gòu)分析。目前,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提升,高頻處理器和海量存儲(chǔ)設(shè)備的普及,三維實(shí)體有限元高精度橋梁結(jié)構(gòu)分析方法已越來(lái)越多地應(yīng)用于全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算中。為確保運(yùn)梁過(guò)程中承重箱梁的安全,按照實(shí)際工況,運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS,建立考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的空間實(shí)體分析有限元模型,對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行空間仿真模擬和分析,計(jì)算承重箱梁整體變形和空間應(yīng)力分布特性,同時(shí)對(duì)箱梁在架橋機(jī)和運(yùn)梁車雙重作用下的支座局部應(yīng)力狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。2梁或板殼理論的計(jì)算結(jié)果梁或板殼理論為三維空間結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的一維或二維結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形特性或荷載條件與計(jì)算假定相差較大時(shí),用梁或板殼理論得不到高精度的計(jì)算結(jié)果。為此,采用三維實(shí)體有限單元忠實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的幾何形狀、約束條件和作用荷載。2.1均質(zhì)材料處理預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在施工和使用過(guò)程中不考慮開裂,材料特性基本符合線彈性理論,計(jì)算時(shí)可以忽略塑性化的影響,并按各項(xiàng)同性均質(zhì)材料處理。混凝土的材料特性按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ023—85)表2.1.3取值,50號(hào)混凝土的彈性模量和泊松系數(shù)分別為3.5×104MPa和μ=1/6。非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量同樣根據(jù)上述設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定取值,其中非預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量為2.0×105MPa,預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量為1.9×105MPa。2.2預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉力的初始表達(dá)因鋼材的彈性模量與混凝土不同,計(jì)算分析需要考慮這一影響,對(duì)混凝土與鋼筋完全粘結(jié)的結(jié)構(gòu),可采用換算截面的方法進(jìn)行處理。試算結(jié)果表明,考慮彈性模量不同影響的換算截面幾何特性與不考慮上述影響的毛截面幾何特性相差甚微(小于2%)。因此,按毛截面計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生有意義的差異,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,均按毛截面建模。預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉力的作用一般可采用等效節(jié)點(diǎn)荷載法、桁架單元模擬法、荷載平衡法等方法考慮,這里采用其中的等效節(jié)點(diǎn)荷載法。計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)荷載時(shí),混凝土的徐變和收縮、錨具變形所引起的應(yīng)力損失忽略不計(jì),預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間摩擦引起的應(yīng)力損失按規(guī)范JTJ023—85第5.2.6條計(jì)算,即σ=σk[1-e-(μθ+kx)](1)式中:σk為張拉鋼筋時(shí)錨下的控制應(yīng)力,MPa;μ為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù);θ為從張拉端至計(jì)算截面曲線管道部分切線的夾角之和,rad;k為管道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù);x為從張拉端至計(jì)算截面的管道長(zhǎng)度,m。式中的摩擦系數(shù)采用設(shè)計(jì)圖中所給定的值,即μ=0.14,k=0.002。2.3荷載的結(jié)構(gòu)和形式化作用在結(jié)構(gòu)上的荷載包括如下幾個(gè)方面:預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力,沿預(yù)應(yīng)力鋼筋的空間分布施加等效節(jié)點(diǎn)荷載;結(jié)構(gòu)恒載,按材料的單位體積重量(2.5t·m-3)計(jì)算;運(yùn)梁車的車輪荷載,根據(jù)跨度截面最不利作用位置(彎矩最大)和支座截面最不利作用位置(剪切力最大)布置作用荷載;架橋機(jī)肢腿荷載,按設(shè)計(jì)院提出的要求布置作用荷載。上述計(jì)算中,預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力和結(jié)構(gòu)自重按恒載考慮,其他荷載根據(jù)計(jì)算需要確定。2.4管彎管彈性模量的確定支座反力引起的應(yīng)力集中為本研究的主要問(wèn)題之一,計(jì)算模型必須合理地模擬支座條件,以便精確地計(jì)算出支座附近的局部應(yīng)力分布。橡膠支座具有一定的承壓面積和壓縮剛度,計(jì)算按三維實(shí)體單元建模較為妥當(dāng)。它的彈性模量按如下變形條件近似確定:承壓面為剛性平面,見圖3;支座可以隨梁端的轉(zhuǎn)角位移,即支座與梁底之間無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn);支座的壓縮剛度盡可能大。為了滿足上述條件,支座頂部與梁接觸層按剛性單元模擬,而其他層的彈性模量滿足下式條件,即梁端回轉(zhuǎn)變形時(shí)不出現(xiàn)拉應(yīng)力:PLEpAp=B2α(2)ΡLEpAp=B2α(2)式中:P為支座的反力,N;L為支座高度(不包括上端的剛性層),m;Ep和Ap分別為彈性模量和截面積,m2;B為順橋方向支座的寬度,m;α為梁端部的回轉(zhuǎn)角,rad。支座的有限元計(jì)算模型單元?jiǎng)澐智闆r見圖3。2.5分離式箱梁有限元模型為了提高局部應(yīng)力的計(jì)算精度,在結(jié)構(gòu)離散時(shí)盡可能細(xì)分單元網(wǎng)格。圖4為50m箱梁在架橋機(jī)和運(yùn)梁車雙重作用下的有限元仿真模型。因梁端的應(yīng)力相對(duì)復(fù)雜,在單元?jiǎng)澐謺r(shí)采用了比跨中更密的單元網(wǎng)格。3解釋最大應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算因支座附近的截面為主要的設(shè)計(jì)控制截面,為了計(jì)算支座截面的最不利應(yīng)力,以圖5所示的工況為對(duì)象,其中架橋機(jī)肢腿荷載為600t,空載運(yùn)梁車的單個(gè)輪胎荷載為2.0t。3.1變形結(jié)果圖6為兩種截面的變形圖以及撓度沿縱向的分布情況,由于載荷位置在支座附近,變形相對(duì)較小,最大撓度在反拱位移之內(nèi)。3.2混凝土的拉勁處理同樣,限于篇幅這里僅給出支座截面應(yīng)力結(jié)果。圖7為承重箱梁在架橋機(jī)和運(yùn)梁車雙重作用時(shí)支座截面的主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,最大主拉應(yīng)力發(fā)生在底板上表面?zhèn)?應(yīng)力值為4.60MPa,超過(guò)混凝土的開裂強(qiáng)度(2.54MPa)。因此,對(duì)該區(qū)域的混凝土應(yīng)采取加勁處理,以防止混凝土拉裂;最大主壓應(yīng)力發(fā)生在架橋機(jī)肢腿處附近,應(yīng)力值為20.9MPa,小于混凝土的抗壓強(qiáng)度(28