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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流斜腹板宽箱梁桥全桥实体仿真分析.精品文档.斜腹板宽箱梁桥全桥实体仿真分析 2011年第2期 广东公路交通 GuangDongGongLuJiaoTong 总第116期 文章编号：16717619（2011）02002504 吴桂胜 （广东省公路勘察规划设计院有限公司，广州510507） 摘要：应用土木专用非线性及细部分析软件MidasFEA建立一联335m斜腹板宽箱梁桥的实体有限元分析模并根据实际施工顺序及成桥状态对全桥进行各施工阶段和成桥状态的仿真分析，为此类桥梁的设计和施工型，积累经验。关键词： 斜腹板宽箱梁；实体单元；仿真分析 文献标识
2、码：A 中图分类号：U4415 0引言 混凝土连续箱梁具有较大的刚度和很强的 箱梁的横向受力更加复杂化。在这种情况下，利用平面杆系体系的简化计算结果与结构的实际受力有较大的区别，此时，为了得到更精确的计算结果并指导设计，需要寻求更精确的计算方法。 三维实体仿真计算可以消除二维计算中由桥梁上部结构的简化而带来的误差，对于局部应力计算较准确，同时加载计算中定位准确方便简单易于调整，本文利用MidasFEA有限元软件对一联335m斜腹板连续箱梁桥进行计算，并对计算结果进行对比分析。 抗扭性能，在偏心荷载作用下，箱梁的整体受力且节情况比多片主梁的T型梁或小箱梁要好，省材料。因其具有较大面积的顶、底板，
3、可以在其顶、底板内布置大量的预应力筋或普通钢筋，从而可承受正、负弯矩。随着高速公路立交桥和城市高架桥的大量兴建，混凝土多室箱梁作得到了迅速发展。在为一种常见的结构形式， 以往的连续箱梁设计计算中，常采用的方法是将连续箱梁桥简化为平面杆系结构进行计算，并以此平面计算结果为依据进行配筋设计。在由于连续箱梁的已建成的大多数连续箱梁中， 宽跨比较小，结构受力接近于平面杆系结构，所以利用平面杆系进行简化计算比较接近于箱梁的实际受力特性，从而使得很多平面杆系程序在以往的连续箱梁计算中起到了举足轻重的作用。然而随着城市化速度的加快，城市高架桥建设逐渐增多，为了满足日益增长的通行能力要求，城市高架桥宽度逐渐增
4、大，而且在城市高架桥中，大多数连续箱梁跨度均较小，这使得箱梁的宽跨比较小，有些箱梁桥的宽跨比已接近于1。 随着箱梁宽跨比的增加，箱梁的剪力滞效应越发明显，而且在宽箱梁设计中，在顶板及横隔板处均配置一定数量的横向预应力钢束，这使得 1工程概况 珠江三角洲外环高速公路黄岗至花山段 狮岭高架桥为全长56441m的特大桥，该桥前半段南航俱乐部金碧御水山庄段（K47+057K48+840，1783km）范围内主要采用35m跨整典型跨径组合为：335=幅式斜腹板连续箱梁， 105m，采用逐孔现浇施工方案。桥梁结构采用单箱五室断面，梁高24m。断面顶板宽332m，箱梁宽跨比为0949，箱梁底板宽1425m，
5、斜腹板水平投影长4975m，悬臂长45m。悬臂厚度由外缘02m变化至根部06m。两个边室的顶板和斜腹板厚度均为025m。中间三室的顶板、底板厚度分别从跨中025m变化至支点05m、055m；中腹板厚度从跨中05m变化至支点07m。跨中断面如图1。 作者简介：吴桂胜（1979），男，路桥工程师，大学本科。邮箱：wgsh1979163com 25 2011年第2期广东公路交通总第116期 FEA建立335m连续箱梁实体有限元模型并进行精细空间有限元分析。有限元模型采用程序特有的8节点实体单元模拟混凝土；采用钢筋单元模拟纵横向预应力钢筋；利用单元的体积和容重 图1 35m跨整幅式连续箱梁断面 赋计算
6、模型的自重；支座下钢板采用实体壳单元，予钢材属性。计算中未考虑混凝土中普通钢筋的作用。整个有限元模型的单元数为130160个，节点数为204830个，其中混凝土单元106120个，预应力钢束单元24040个。图4、图5分别为混凝土三维实体有限元网格模型与纵横向预应力钢束单元模型 梁体超高方式：在正常横坡段，箱梁由顶面中心向两侧各放2%的坡；在全超高段，箱梁顶、底板结构整体斜置；在超高缓和段，箱梁顶超高平行， 旋转轴位于箱梁中心线处，中腹板高度不等。箱梁采用纵横两向预应力体系，纵向设置腹板束、顶板束和底板束，横向预应力包括桥面板和横隔板预应力束。纵横向预应力钢绞线采用GB/T52242003国家
7、标准的270级高强度低松弛钢绞线，标准抗拉强度1860MPa，弹性模量EP=195105MPa，张拉控制应力为1395MPa或1302MPa。 35m跨整幅式连续箱梁下部结构采用H型桥墩，如图2所示。墩柱尺寸为22m22m，每柱内、外侧转角处分别设半径为05m和02m的圆角，双支座间距为75m。 35m跨整幅式连续箱梁上部结构采用逐跨阶335m一联箱梁分三个阶段现浇，其具体段现浇， 施工顺序如图3所示 图4 混凝土三维实体有限元网格模型 图5纵横向预应力钢束单元模型 21 图2 35m 跨整幅式连续箱梁墩柱断面 单元选取及网格划分 选用三维实体单元（8节点六面体单元）作为 混凝土单元，由于在正
8、常使用状态下箱梁没有开裂，处于弹性状态，所以采用各向同性的弹性假定进行力学分析。混凝土取C50混凝土，材料特性 4 为：弹性模量E=34510MPa，泊松比=02，53热膨胀系数=110，容重取26kN/m。 本文利用MIDASFEA中提供的预应力钢筋 图3 35m跨整幅式连续箱梁施工顺序图 单元来模拟箱梁中的纵横向预应力钢束，一般预应力筋的预应力因预应力的损失而逐渐减少。预应力损失一般是由几种因素产生的。因钢筋曲线 2空间实体模型的建立 利用土木专用非线性及细部分析软件Midas 26 31 总第116期 布置，张拉钢筋时预应力钢筋和孔道壁之间会产生附加法向力并引起摩擦阻力造成预应力损失。另
9、外钢束张拉结束后，在张拉端因为锚具变形和钢筋回缩也会引起预应力损失。在MIDASFEA通过模拟混凝土和预应力钢筋来计算预应力损失，本文通过生成高次预应力钢筋单元来考虑各项预应力损失。 在划分箱梁有限元网格时，根据荷载的作用位置将全桥沿纵桥向划分为200段，每段大致05m左右。单元划分时3个方向的尺寸应该大体上保持一致，同时为了提高计算精度，相邻单元的大小应尽可能的相近。经过分析比较，除支点截面外其余每一截面划分为512单元。22 荷载及边界条件处理 施工阶段仿真分析由于篇幅所限，在此仅列出第一施工阶段及 如图6图9所示。第四施工阶段应力计算结果， 第一施工阶段为浇筑第一梁段及张拉第一梁段纵横向
10、预应力钢束；第四施工阶段为铺设桥面铺装及浇筑防撞栏阶段（即成桥阶段恒载+预应力工况） 图6 第一施工阶段纵桥向正应力云图 结构自重由程序内部自动计算，二期荷载（防铺装）通过压力荷载施加在整个桥面板上，撞墙、 钢束预应力荷载通过给钢筋单元施加预应力荷载来实现。 本桥的设计荷载为公路级，在本文分析中活载的纵向不利位置布置按剪力影响线确定，并按影响线最不利布载。活载横向布置不考虑箱梁 桥规的横向坡度，由规定，在横向影响线上确定荷载沿横向最不利位置。对于汽车荷载，规定的 汽车横向轮距为18m，两列汽车车轮的横向最小车轮距人行道缘石最少为05m。根间距为13m，桥规据计算出公路级车道荷载，然后将车道荷载
11、以线荷载的方式施加在活载作用位置的节点上。 通过定义混凝土材料随时间变化的收缩和徐变特性来考虑混凝土收缩徐变对箱梁受力的影响，混凝土抗压强度或弹性模量随时间变化可以通过定义时间依存性材料并定义相应的强度变化曲线来模拟。 本文模型计算中考虑四种温度荷载：（1）整体升温20；（2）整体降温20；（3）梯度升温；（4）梯度降温。箱梁整体升降温通过施加实体单元温度荷载实现，梯度温度按照规范JTGD602004第4310条规定施加。 图8 第四施工阶段纵桥向正应力云图图7 第一施工阶段横桥向正应力云图 3仿真结果分析 图9第四施工阶段横桥向正应力云图 32 利用MIDASFEA分析系统对上述有限元模型进
12、行计算分析，可得到各荷载工况下的箱梁的变形和应力。利用MIDASFEA强大的后处理功能，给出箱梁各受力阶段的应力及位移计算结果。 成桥阶段仿真分析 工况1：恒载+预应力+温度梯度+汽车荷载 （中跨跨中最不利布载）； 工况2：恒载+预应力+温度梯度+汽车荷载（边跨跨中及中支点最不利布载）。 27 2011年第2期广东公路交通总第116期 通过对该桥进行各施工阶段及成桥阶段仿真 分析研究，以及对该桥主要阶段的受力分析，除钢 束锚固位置及支撑点位置应力计算失真外，其余 各点应力均满足规范相应要求。 从上述计算结果可知，由于箱梁剪力滞的影 响，恒载、活载及预应力荷载所产生的墩顶截面纵 桥向正应力在横桥
13、向分布极其不均匀，剪力滞效 图10工况1 纵桥向正应力云图应明显。4结论 对于宽跨比较大的连续箱梁，顶板及横隔板 的横向应力分布计算和相应的配筋十分关键，直 接关系到结构的使用性能和承载能力，这在宽跨 比较大的箱梁设计中必须给予足够重视。在宽跨 比较大的多室连续箱梁计算中，由于箱梁剪力滞 的影响使得平面计算结果与箱梁实际受力偏差较 大，并且平面计算结果偏于不安全的，特别是对于 图11工况1 横桥向正应力云图墩顶截面，剪力滞效应更加显著，纵桥向正应力呈 明显的不均匀分布，采用全桥实体仿真分析是最 好的选择，全桥仿真分析可更灵活地得到比常规 结构计算更充分、直接、精确、实用的结果。 参考文献： 1
14、黄剑源，谢旭城市高架桥的结构理论与计算方 M北京：科学出版社，2001法 2杨允表广义有限条法分析多室箱梁的剪滞效应 J桥梁建设，1995，（1）：4046 3文家清，严定国，王元汉异型连续箱梁桥的空间 J中外公路，2005，25，（4）：9395分析方法研究 4郭勇，王媛，张根法，等预应力混凝土连续箱梁桥 J中国市政工程，2005，（4）：3638计算模型对比分析 5施颖，宣纪明，马春亭大跨度预应力混凝土变截 J桥梁建设，2003，（4）：4143面连续箱梁桥设计 6中华人民共和国交通部标准公路钢筋混凝土及 S北京：人预应力混凝土桥涵设计规范JTGD602004 2004民交通出版社， （收
15、稿日期：20110328）图12工况2 纵桥向正应力云图 图13工况2横桥向正应力云图 StructuralSimulationAnalysisforEntireBridgeofWiderGirderwithInclinedSlab WUGuisheng （GuangDongHighwayDesignInstituteCo，LTD，Guangzhou510507，China） Abstract：UsingMidasFEANonlinearDetailFiniteElementAnalysisSystemforCivilStructures，a3Dsolidelementfinitemodelo
16、f335mwidergirderwithinclinedslabisbuiltthebridgewasanalyzed，basedonfactualconstructionmethodandfinisheddeadstate，theresultisanalyzedandsummarized，thereforeaccumula-tedsomeexperienceofwidergirderwithinclinedslabdesignandconstruction Keywords：WiderGirderwithInclinedSlab；SolidElements；SimulationAnalysis 28