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摘 要:以内蒙古沿黄一级公路某座在建桥梁为工程背景,借助通用大型有限元结构分析程序MIDAS/Civil建立了全桥空间模型,并进行了结构动力计算和静力计算。计算结果表明:通过对动力特性的振型和频率计算我们得出桥墩在纵向水平抗推刚度比较小,大跨度连续刚构属于柔性结构,在设计荷载下的最大挠度值满足规范要求,并在施工阶段其最大应力未超过材料的屈服强度,因此其在后期的安全性比较高。
关键词:连续刚构;动力特性;挠度;应力
中图分类号:TU753 文献标识码:A
在我国已建成的桥梁当中,预应力连续刚构占了相当大的比重,它不仅施工难度小,造价低,同时也具有连续梁的优点:没有伸缩缝、行车平顺。而且T型刚构桥不设支座、的优点也有充分体现,最后并且有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度,利用高薄壁墩柔性来适应结构由混凝土收缩,预应力、温度变化和徐变所引起的位移,且能满足大跨度桥梁的受力要求。
随着实际工程中越来越多的大跨度的连续刚构桥的出现,施工过程中的预制误差、观测误差、测量误差、立模误差等以及在工程设计阶段所参照的混凝土的收缩徐变、构件自重、弹性模量等材料系数可能与工程施工过程中材料的实际系数存在差异。这些因素都会对参数的准确性造成更多的影响,如果不能对其进行有针对性的调整和处理,必然会使工程建设与原先的目标出现偏差,最终使得合拢无法顺利完成,使成桥后的内力和线形发生变化,这样会大大的减小桥梁的安全使用性能。因此在施工前期对桥梁进行结构分析尤为重要。
1 工程概况
本文以内蒙古自治区鄂尔多斯市一条在建的大跨度预应力混凝土钢构桥为例,全桥主长358m,桥梁上部为(95+168+95)m,三跨预应力混凝土变截面连续刚构,宽33.5m,主梁采用单箱单室箱形截面。箱梁根部梁高10.0m,高跨比为1/16.8;跨中梁高3.5m。箱梁顶底板分别宽16.55和9.55m,翼缘板悬臂长3.5m。箱梁高度从距墩中心6.5m处到跨中合拢段处按1.65次抛物线变化。下部桥墩为双薄壁空心墩,壁厚0.6m,最大墩高44.7m,宽9.55m,桩长85.0m,桩径2.5m,;实体桥台,桩长55.0m,桩基础直径2.0m,。总体布置见图1,主梁根部与跨中截面见图2,主墩截面见图3。
2 模型的建立与动力特性分析
2.1 有限元
采用大型通用有限元软件MIDAS/Civil进行建模、分析计算和数据的后处理。连续刚构有限元模型分别由主梁、桥墩、预应力钢束三部分组成。根据大跨度连续刚构桥的材料结构特性和其所要研究的对象,主梁和桥墩均采用三维两节点梁单元,每个节点有6个自由度,分别包括三个方向的线性移动位移和旋转位移。本文用MIDAS/Civil软件提供的变截面和PSC截面功能,建立各个截面的精确模型,主梁和主墩均用C55混凝土浇注。梁端采用铰支撑,仅约束竖向平动自由度,在墩底固结模型,主梁和墩顶采用刚性连接,边跨用满堂支架现浇施工,待边跨合拢后拆除其临时支撑约束。并考虑了二期恒载对结构动力特性的影响,将二期恒载的单位长度重量转化成梁体的等效线密度。
2.2 全桥结构自振频率和振型
本文取全桥前四阶自振频率和振型(见表1和图4)。
从以上成桥阶段前4阶振型的结果可以得出:模型的第1阶振型为体系纵飘,基频为0.28Hz左右,仅为第2阶振型频率的62%,且质量参与率高达89%左右,表明该振型在所有振型中占有较大优势。
模型的第2阶振型到第4阶振型均为横弯,横弯振型对桥墩横向位移和内力反应起比较大的作用。
3 全桥应力与挠度结果分析
通过建立的有限元模型。对连续刚构桥在设计荷载作用下,进行挠度、应力分析计算,从而了解其结构的安全性。
3.1 应力结果分析
针对大跨度三向预应力混凝土连续刚构桥,箱梁结构在混凝土悬浇中各截面的应力分布有很大的差别。考虑到主桥施工先后顺序、施工人员、施工时间、预应力索应力损失测定等因素的影响,应力测试位置分别选取了桥墩和主梁重要部位。其中,根部截面位于第一跨(1号墩左侧)的根部,1/4截面位于第一跨(1号墩左侧)的四分点,桥墩截面位于1号墩墩底1m处的位置。
通过有限元软件分析根部截面上下缘正应力、1/4截面上下缘正应力、边跨合拢段上下缘正应力、中跨合拢段上下缘正应力、桥墩截面正应力。数据结果为:
最大悬臂状态下,箱梁顶板上缘正应力和底板下缘正应力均为压应力,根部截面上缘最大压应力9.62MPa,下缘最大压应力12.28MPa,1/4截面上缘最大压应力5.45MPa,下缘最大压应力8.91MPa。
在边跨合拢和中跨合拢状态下,边跨合拢口和中跨合拢口均未出现拉应力,边跨合拢口下缘最小压应力3.06MPa,中跨合拢口下缘最小压应力5.12MPa,有足够的压应力的储备。
桥墩截面最大压应力4.74MPa,未超过材料的屈服强度,具有一定的应力安全储备。
3.2 挠度结果分析
考虑自重、预加应力、挂篮、二期恒载、混凝土收缩徐变作用,运用有限元软件对全桥进行了计算分析。由数据结果可以分析到:经过3 600d收缩徐变后,全桥最大的挠度出现在跨中附近,其最大值为-161.4mm,边跨的最大挠度为-57.4mm,中跨合拢段的挠度为-85.2 mm。
由于边跨合拢段和中跨合拢段箱梁受到腹板和底板预应力作用,所以在边跨合拢段和中跨合拢段梁体均出现上拱。
4 结语
(1)桥梁的第一振型纵向侧移,基频为0.28Hz左右,说明桥墩具有较小的纵向水平抗推刚度,大跨度连续刚构桥属于柔性结构。
(2)在悬臂施工状态和各合拢段施工状态下,箱梁顶板上缘正应力和底板下缘正应力均为压应力,有足够的压应力储备。
(3)自重、预加应力、混凝土收缩徐变、二期恒载对主梁都有影响,在成桥3600天收缩徐变后,全桥的最大的挠度达到161.4mm,满足规范要求。
(4)由于篇幅有限,本文未考虑预应力损失对结构受力变形的影响,比如预应力损失另外,由于施工控制的重点在上部结构,仿真计算过程中并未考虑基础与桥墩之间的的相互作用力。
参考文献
1 杨高中.连续刚构桥在我国的应用和发展[J].公路,1998(3)
2 葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京:人民交通出版社,2003
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