鋼-混組合連續(xù)箱梁橋的仿真分析

鋼-混組合連續(xù)箱梁橋的仿真分析

鋼-混混合箱梁是一種經(jīng)濟合理的新型結(jié)構(gòu)，由鋼和混凝土兩種材料結(jié)合而成。這種結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材抗拉性能強和混凝土抗壓性能強的優(yōu)點,使材料各盡其用,顯著地節(jié)省了原材料。同時,這種結(jié)構(gòu)具有架設速度快、施工方便、剛度大、跨越性能強、抗震性能好等優(yōu)點,有著非常好的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。因而,鋼-混組合箱梁被廣泛地應用在公路橋梁上。但是,由于鋼-混組合箱梁結(jié)構(gòu)的受力比較復雜,加之目前我國關于鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的設計指南和規(guī)范尚不完善,因此,在推廣使用的過程中需要對其進行詳細的計算分析,以確保結(jié)構(gòu)的安全性。1箱室內(nèi)部連接點布置秦城樞紐H匝道橋是秦城樞紐互通中跨越原太高速公路的一座跨線橋,該橋采用橋跨布置形式為28.5+45+28.5m的鋼-混組合箱梁橋結(jié)構(gòu)。主梁鋼混組合箱梁共有2個箱室,各箱室的底板寬度為2.5m,兩個箱體之間通過橫向連接系相連接。箱體的頂板寬度為10.5m,單側(cè)翼緣板挑臂長度為1.75m,2個箱室間距為2.0m,混凝土頂板厚度沿橫橋向為變厚度,挑臂端部厚度為20cm,挑臂根部位45cm,箱室內(nèi)部中央位置厚度為30cm,2箱之間部位混凝土厚度為45cm。橋面布置為0.50(外側(cè)護欄)+9.50(機動車道)+0.50(外側(cè)護欄)m=10.5m。該橋位于半徑為R=260.00m曲線上。主梁橫斷面如圖1所示。2鋼箱梁和混凝土橋面板模型與一般混凝土箱梁橋相比,鋼-混組合箱梁橋的受力較為復雜,其最終的受力狀態(tài)與其施工過程密切相關。一般而言,鋼箱梁自重靠自身承擔,其上混凝土橋面板自重由鋼箱梁或鋼箱梁和混凝土共同承擔,結(jié)構(gòu)的活載由鋼箱梁和混凝土橋面板共同承擔。由于組合梁橋的應力分配比較復雜,因此對于組合梁橋需要根據(jù)其不同的工作階段進行計算分析,以清楚地了解結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。2.1總體計算模型分析進行縱向整體仿真計算,目的是為了了解結(jié)構(gòu)在各施工階段以及成橋后的受力狀態(tài)、應力水平和變形情況。因此,整體仿真計算使用平面桿系模型即可滿足要求,且使用平面桿系模型可以大大減小工作量。本橋采用專業(yè)軟件DoctorBridge進行總體計算分析。該橋?qū)⒄麄€施工過程劃分為14個施工階段進行模擬。利用組合截面模擬混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的共同作用,建立梁單元進行分析?；炷敛糠肿鳛閱卧母郊咏孛?鋼梁部分作為單元的主截面,利用等效荷載法施加組合梁的預應力。通過對各個施工階段主梁應力和變形情況的分析,清楚地了解了主梁在施工階段和成橋使用階段的應力水平和安全儲備。同時通過整體計算分析可以確定合理的壓重位置和壓重值,以及合理的臨時墩位置。圖2為該橋的總體計算模型。2.2模型創(chuàng)建和分析為了詳細了解結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應力狀況,利用大型通用軟件ANSYS對全橋進行分析計算,鋼梁部分采用板單元shell43模擬,全橋共建立101466個板單元?；炷敛糠植捎脤嶓w單元solid45模擬,全橋共建33756個實體單元。預應力筋采用索單元link8模擬,共建索單元365個。混凝土橋面板與鋼梁頂板之間的剪力釘通過彈性連接進行模擬。全橋共用節(jié)點數(shù)量為142604個。模型圖如圖3所示。空間板單元計算分析利用ANSYS的非線性模塊,使用單元生死的方法模擬組合梁橋的施工過程。分析結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件在不同施工階段的應力狀態(tài),準確得到鋼梁頂板、底板、腹板、底板加勁肋、水平加勁肋、橫隔板、橫隔板加勁肋和橫向連接系的應力水平和變形特性,以及混凝土橋面板的應力和變形狀況?？臻g板單元仿真分析可以清晰準確地反映出各構(gòu)件的受力狀態(tài),由此可以確定出結(jié)構(gòu)的薄弱位置,從而對薄弱部位進行相應的優(yōu)化設計,以保證各構(gòu)件的安全性和可靠性。2.3關鍵部門的局部驗算、結(jié)構(gòu)疲勞和穩(wěn)定性驗證2.3.1局部分析結(jié)果通過前面的計算分析可知,對于組合梁中墩附近位置結(jié)構(gòu)的應力水平較高。而該區(qū)域的應力分布和應力傳遞都比較復雜,因此為了清楚地了解其受力情況,對該區(qū)域的局部進行了詳細的分析。該部位的局部計算分析使用通用有限元軟件ANSYS進行。計算表明,該區(qū)域頂板的應力較為均勻,變化不大;腹板的應力在墩頂位置最大,隨著與墩頂?shù)目v向水平距離增大而逐漸變小,縱橋向同一位置處則是從腹板下部往上部逐漸減小;底板應力從墩頂向兩側(cè)逐漸減小,在墩頂與橫隔板交界處較大;橫隔板應力是在與底板及腹板交界處較大,在中央位置較小,在支座正上方最大;隔板豎向加勁肋及水平加勁肋應力均較小。結(jié)構(gòu)的支撐反力主要通過兩個途徑傳遞給腹板:一是由底板直接傳遞給腹板,二是由橫隔板傳遞給腹板。2.3.2關鍵部位疲勞性能驗算凡承受動應力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接件,應進行疲勞驗算。該鋼-混組合箱梁橋在汽車荷載作用下,為了防止其出現(xiàn)疲勞破壞,需要對其關鍵部位的疲勞性能進行驗算。利用專業(yè)軟件MIDASCIVIL計算結(jié)構(gòu)影響線,并利用影響線對結(jié)構(gòu)進行加載,計算其在活載作用下的應力幅值,確保結(jié)構(gòu)不會發(fā)生疲勞破壞。2.3.3鋼構(gòu)件失穩(wěn)原因分析該橋的施工順序是先架設鋼箱梁,放松臨時支撐,將鋼箱梁由簡支體系變成連續(xù)體系,后澆注混凝土橋面板。因此,鋼箱梁在架設的過程中也可能發(fā)生穩(wěn)定破壞。此類在施工過程中發(fā)生鋼構(gòu)件穩(wěn)定破壞的事例也不少,典型案例如加拿大魁北克橋因在施工中發(fā)生鋼構(gòu)件失穩(wěn)而倒塌。因此必須對該組合梁橋在施工過程中的穩(wěn)定性進行分析計算。在成橋狀態(tài),由于鋼梁和混凝土已經(jīng)聯(lián)成整體,混凝土對截面整體的剛度貢獻很大,其整體剛度較高,一般不會發(fā)生整體失穩(wěn)。但是鋼箱梁的各構(gòu)件有發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性。計算分析可知,在中墩附近主梁需要承受很大的負彎矩,鋼箱梁的底板和腹板要承受很大的壓應力,因此有可能發(fā)生穩(wěn)定破壞。但是,底板由于有較強大的縱向加勁肋及橫隔板的約束,沒有發(fā)生穩(wěn)定破壞,而腹板由于其豎向加勁肋布置較稀疏,在強大的壓力作用下發(fā)生穩(wěn)定破壞。這種穩(wěn)定破壞在鋼-混組合梁的設計和施工中需要引起足夠的重視。因此,對于結(jié)構(gòu)受力復雜的鋼混組合箱梁橋在其設計使用的過程中需要進行詳細的分析計算以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。3鋼-混組合箱梁橋總體施工質(zhì)量情況本文對秦城樞紐H匝道橋在施工和使用過程中可能出現(xiàn)的最不利狀況進行了計算分析,達到了準確掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、確保結(jié)構(gòu)安全可靠的目的。(1)通過建立桿系模型的計算,了解了結(jié)構(gòu)在施工階段及成橋后的受力狀態(tài)、應力水平和變形情況。(2)通過基于板單元的空間受力分析,得到了鋼箱梁在吊裝就位后、螺栓連接前階段和成橋狀態(tài)下各構(gòu)件的應力水平和變形情況。(3)通過對關鍵