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(jì)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(qiáng)和混凝土抗壓性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),使材料各盡其用,顯著地節(jié)省了原材料。同時(shí),這種結(jié)構(gòu)具有架設(shè)速度快、施工方便、剛度大、跨越性能強(qiáng)、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),有著非常好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因而,鋼-混組合箱梁被廣泛地應(yīng)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(fù)雜,加之目前我國(guó)關(guān)于鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)指南和規(guī)范尚不完善,因此,在推廣使用的過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析,以確保結(jié)構(gòu)的安全性。1箱室內(nèi)部連接點(diǎn)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(xiàn)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(gè)箱室,各箱室的底板寬度為2.5m,兩個(gè)箱體之間通過(guò)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(zhǎng)度為1.75m,2個(gè)箱室間距為2.0m,混凝土頂板厚度沿橫橋向?yàn)樽兒穸?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(hù)欄)+9.50(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+0.50(外側(cè)護(hù)欄)m=10.5m。該橋位于半徑為R=260.00m曲線(xiàn)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(fù)雜,其最終的受力狀態(tài)與其施工過(guò)程密切相關(guān)。一般而言,鋼箱梁自重靠自身承擔(dān),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(dān),結(jié)構(gòu)的活載由鋼箱梁和混凝土橋面板共同承擔(dān)。由于組合梁橋的應(yīng)力分配比較復(fù)雜,因此對(duì)于組合梁橋需要根據(jù)其不同的工作階段進(jìn)行計(jì)算分析,以清楚地了解結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。2.1總體計(jì)算模型分析進(jìn)行縱向整體仿真計(jì)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(yīng)力水平和變形情況。因此,整體仿真計(jì)算使用平面桿系模型即可滿(mǎn)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(zhuān)業(yè)軟件DoctorBridge進(jìn)行總體計(jì)算分析。該橋?qū)⒄麄€(gè)施工過(guò)程劃分為14個(gè)施工階段進(jìn)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?jiǎn)卧M(jìn)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(yù)應(yīng)力。通過(guò)對(duì)各個(gè)施工階段主梁應(yīng)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(yīng)力水平和安全儲(chǔ)備。同時(shí)通過(guò)整體計(jì)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(shí)墩位置。圖2為該橋的總體計(jì)算模型。2.2模型創(chuàng)建和分析為了詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力狀況,利用大型通用軟件ANSYS對(duì)全橋進(jìn)行分析計(jì)算,鋼梁部分采用板單元shell43模擬,全橋共建立101466個(gè)板單元?；炷敛糠植捎脤?shí)體單元solid45模擬,全橋共建33756個(gè)實(shí)體單元。預(yù)應(yīng)力筋采用索單元link8模擬,共建索單元365個(gè)。混凝土橋面板與鋼梁頂板之間的剪力釘通過(guò)彈性連接進(jìn)行模擬。全橋共用節(jié)點(diǎn)數(shù)量為142604個(gè)。模型圖如圖3所示?？臻g板單元計(jì)算分析利用ANSYS的非線(xiàn)性模塊,使用單元生死的方法模擬組合梁橋的施工過(guò)程。分析結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件在不同施工階段的應(yīng)力狀態(tài),準(zhǔn)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(yīng)力水平和變形特性,以及混凝土橋面板的應(yīng)力和變形狀況?？臻g板單元仿真分析可以清晰準(zhǔn)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(duì)薄弱部位進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),以保證各構(gòu)件的安全性和可靠性。2.3關(guān)鍵部門(mén)的局部驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)疲勞和穩(wěn)定性驗(yàn)證2.3.1局部分析結(jié)果通過(guò)前面的計(jì)算分析可知,對(duì)于組合梁中墩附近位置結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較高。而該區(qū)域的應(yīng)力分布和應(yīng)力傳遞都比較復(fù)雜,因此為了清楚地了解其受力情況,對(duì)該區(qū)域的局部進(jìn)行了詳細(xì)的分析。該部位的局部計(jì)算分析使用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行。計(jì)算表明,該區(qū)域頂板的應(yīng)力較為均勻,變化不大;腹板的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力均較小。結(jié)構(gòu)的支撐反力主要通過(guò)兩個(gè)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(guān)鍵部位疲勞性能驗(yàn)算凡承受動(dòng)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接件,應(yīng)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。該鋼-混組合箱梁橋在汽車(chē)荷載作用下,為了防止其出現(xiàn)疲勞破壞,需要對(duì)其關(guān)鍵部位的疲勞性能進(jìn)行驗(yàn)算。利用專(zhuān)業(yè)軟件MIDASCIVIL計(jì)算結(jié)構(gòu)影響線(xiàn),并利用影響線(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,計(jì)算其在活載作用下的應(yīng)力幅值,確保結(jié)構(gòu)不會(huì)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(shè)鋼箱梁,放松臨時(shí)支撐,將鋼箱梁由簡(jiǎn)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(shè)的過(guò)程中也可能發(fā)生穩(wěn)定破壞。此類(lèi)在施工過(guò)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(duì)該組合梁橋在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)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(duì)截面整體的剛度貢獻(xiàn)很大,其整體剛度較高,一般不會(huì)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(jì)算分析可知,在中墩附近主梁需要承受很大的負(fù)彎矩,鋼箱梁的底板和腹板要承受很大的壓應(yīng)力,因此有可能發(fā)生穩(wěn)定破壞。但是,底板由于有較強(qiáng)大的縱向加勁肋及橫隔板的約束,沒(méi)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(qiáng)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(shè)計(jì)和施工中需要引起足夠的重視。因此,對(duì)于結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的鋼混組合箱梁橋在其設(shè)計(jì)使用的過(guò)程中需要進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)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(duì)秦城樞紐H匝道橋在施工和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的最不利狀況進(jìn)行了計(jì)算分析,達(dá)到了準(zhǔn)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(guò)建立桿系模型的計(jì)算,了解了結(jié)構(gòu)在施工階段及成橋后的受力狀態(tài)、應(yīng)力水平和變形情況。(2)通過(guò)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(yīng)力水平和變形情況。(3)通過(guò)對(duì)關(guān)鍵