獨柱墩中橫梁空間及平面電算分析比較

1、獨柱墩中橫梁空間及平面電算分析比較        關鍵詞：獨柱墩中橫梁預應力有限元論文摘要:本文以宿遷至淮安高速公路中的武墩特大橋為例，簡要介紹了獨柱墩預應力中橫梁的空間有限元及平面有限元的方法以及兩者之間的比較。同時也為以后的結構分析提供。1 概述武墩特大橋是宿遷至淮安高速公路上的一座特大型橋梁，共三聯(lián)。第一聯(lián)、第三聯(lián)上部結構采用7-25m裝配式預應力混凝土連續(xù)箱梁；第二聯(lián)由于跨越被交路，橋墩左右幅錯開布置，上部結構采用現(xiàn)澆預應力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。其中第二聯(lián)跨越被交路處采用了獨柱墩中橫梁。2 結構特點中橫梁厚1

2、.8m，變化段左右各3m，梁寬17m，梁高1.75m，具體尺寸見圖1?；钶d等級為汽超20級?？紤]到橋面較寬，相當于在獨柱墩中橫梁墩頂處形成了較大的空間懸臂，加上橫梁處活載的影響及兩邊跨傳遞荷載，在墩頂處橫向產(chǎn)成了很大的負彎距?？梢姶颂幨鞘帧拔ｋU”的部位，處理不當容易在墩頂處開裂，所以在橫向也添加了預應力。整個橫梁共用了10根j15.24-12的鋼絞線，鋼束間距37.5cm，如圖2所示。錨下控制應力為0.75Ryb ，鋼束引伸量為8cm，兩端對稱張拉。下面分別用空間和平面有限元的方法進行驗算分析。圖1 中橫梁處橫斷面 圖2 橫向預應力鋼束3 空間有限元分析空間有限元是較為真實反映空間

3、受力的分析方法。它能準確模擬空間3維體系各向的受力及其影響，但是需要耗費大量的時間建模和計算，對計算出的結果也需要加以判別，特別是受力集中的部位所產(chǎn)生的局部應力。分析步驟大致如下：（1）對稱于獨柱墩取出一個梁段作為分析的重點，梁段長度為左右各3m的腹板變化段和1.8m的實心中橫梁，建立三維實體并離散為混凝土有限元單元。劃分單元的大小粗細直接影響到計算的速度，一般在受力集中的區(qū)域適當加密，如圖3；圖3 網(wǎng)格化后的實體段有限元模型（2）兩邊各取出2跨，建立有厚度的二維板殼單元。在與實體段相連時保證頂板、底板和腹板的中對中相接，以減小誤差。由于這部分不是受力分析的重點，僅作為傳力構件，可適當放寬網(wǎng)格

4、的大小以節(jié)省計算時間。并且在各跨應建立相應的支撐單元，如圖4；圖4 4跨有限元變形大樣（3）加上一二期恒載，再在4跨內按影響面加載汽車活載或掛車活載，圖5；圖5 實體段頂板汽車活載（4）在實體段中建立索單元并施加預應力荷載效應。預應力模擬的正確與否將直接影響最后計算的結果，所以力求在空間與實際吻合，如圖6。如果沒有具體的預應力單元可通過升降溫法或等效荷載法來模擬預應力效應。由于一般的空間計算程序很難自動計算預應力的收縮徐變損失，所以一般需要事先手動計算。圖6 預應力鋼筋的位置（5）求解后，刨去我們不關心的殼體部分以及實體與板殼連接處不真實的局部應力，對結果進行后處理分析。通過空間分析，可以得到

5、中橫梁頂面的應力分布情況，如圖7（單位Pa，負值表示壓應力，正值表示拉應力）。頂面最大的拉應力出現(xiàn)在加汽車活載側的翼緣根部（可以清楚的看到由于剪力滯形成的有效工作寬度），達到了-2.9MPa。但是由于模型沒有考慮普通鋼筋的作用，加上受拉區(qū)高度有限，通過承載力驗算是安全的。1         接近獨柱墩頂中心處，是我們最關心的位置，也是獨柱墩橫梁最容易開裂地方。在正常使用狀態(tài)下考慮預應力效應，應力下降到了-0.93MPa。由于活載的偏載作用，最大拉應力處向左側偏移了70cm。右側過中心軸約130cm處，由于沒有直接承

6、受活載，出現(xiàn)了4.61MPa的壓應力。 由上述分析可知，整個獨柱墩中橫梁（不包括翼緣）最大拉應力小于0.8Rlb，為預應力A類構件，是滿足規(guī)范要求的。圖7 正常使用狀態(tài)下獨柱墩橫梁頂部拉應力4 平面有限元分析平面有限元是一種化空間為平面的近似處理方法，用帶厚度的平面桿系來模擬橫梁結構。在結構離散模型化過程中，取二維的桿件作為基本單元。模型與實際結構的構造和受力特點，以及邊界條件的吻合程度是計算分析結果真實與否的關鍵。過程大致如下：（1）建立2維平面有限元模型，單元寬度可取橫梁的寬度。如圖8；圖8 添加了汽車活載的平面有限元單元（2）鄰跨一期恒載內力的傳遞在平面分析中很難準確模擬，可簡化為 僅在

7、腹板處靠剪力傳遞，頂?shù)装宀粎⑴c剪力傳遞。但如果考慮整跨都傳遞到中橫梁處，計算結果明顯偏大。經(jīng)反復試算可取左右各10米作為傳力范圍（僅適用于相似跨徑）。二期恒載可采用均布荷載的形式加載；（3）活載可通過手動等效加載，按規(guī)范要求在每個車輪處施加相應的集中荷載，20米范圍僅需計入一列加重車的作用。由于活載的偏載作用而使箱梁扭轉時，箱梁截面的自由扭轉受到橫梁的約束，從而產(chǎn)生約束扭轉正應力與約束扭轉剪應力，所以需要增加15%的箱梁抗扭提高系數(shù)；（4）添加橫向預應力鋼束，忽略縱向預應力效應；（5）計算結果進行分析校正。計算出墩頂最大拉應力為-1.1Mpa，位置也向加載活載側有所偏移。而翼緣根部也出現(xiàn)了較大

8、的拉應力。5 空間及平面分析比較雖然在獨柱墩橫梁計算中空間與平面分析過程和計算的結果呈現(xiàn)了一部分共性，但是平面分析中過多的近似處理必然產(chǎn)生結果的失真。通過比較可以得出平面分析存在以下幾個問題：（1）平面分析中的支撐形式在計算中變成了整個橫梁縱向的線型支撐，違背了實際中獨柱的含義；（2）平面計算中滿足了內力的傳遞，可是沒有考慮剛度的傳遞和分配，致使內力僅由中橫梁來抵抗。這也是不能簡單考慮全跨都參與內力傳遞而反復試算等效傳力范圍的原因；（3）平面分析忽略了箱梁自身的扭轉慣距和抗扭剛度，雖然可以通過不同腹板處乘相應系數(shù)來彌補，但理論上還是欠精確的；（4）橋梁工程中認為車輛荷載在橋面板中有效分布寬度應呈45度擴散，而平面分析無法考慮這種擴散效應。而空間分析更能真實的模擬獨柱墩橫梁受力體系，由于建立殼體結構的整跨橋梁單元就可以不用去操心內力具體如何分配，減少了近似處理所產(chǎn)生的誤差，從而使計算結果更為可靠，但建模和分析過程比平面分析煩瑣。圖9為兩種分析模式下獨柱墩橫梁頂面縱橋向和橫橋向的橫向應力分布情況比較。綜合以上，可以肯定平面分析的應