Research Findings | 研究成果 |
·13·
吴忠振1，魏海伟2
(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)
摘 要：红石山大桥主桥上构采用（65+120+65）m 预应力混凝土连续刚构，悬臂浇筑施工，0号块结构受力复杂，全桥结构计算模型无法全面准确反应0号块应力分布情况，需对0号块进行空间实体有限元分析。本文利用大型通用有限元软件ANSYS 进行0号块局部应力分析，分析计算中跨合拢前的不平衡状态以及运营状态，结果表明0号块应力满足短暂状况验算、持久状况验算要求。 关键词：连续刚构；悬浇；0号块；ANSYS 中图分类号：U441+.5 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2019）03-0013-03 作者简介：吴忠振（1985—），男，硕士，工程师，研究方向：桥梁设计。
预应力混凝土连续刚构桥，上部结构梁高变化，在支点处梁高较高，跨中处梁高较低，通常以1.5～2次抛物线形式过渡，悬臂浇筑法施工。支点处截面上缘承担较大负弯矩，跨中截面下缘正弯矩大大减小，
将跨中正弯矩转移至支点处负弯矩，充分利用混凝土抗压强度高、抗拉强度低，而预应力钢束抗拉强度高的特点。此外，支点处墩梁固结，省去大吨位支座，避免日后支座的维护与更换，大大降低后期维护费用。
0号块空间结构复杂，预应力管道众多，受三向预应力作用，横隔板上开检修人孔，全桥结构计算模型无法真实地反应0号块空间应力分布情况。利用ANSYS 通用有限元软件，建立0号块实体模型，可以比较真实地模拟实际情况，反应0号块在最大悬臂施工状态、运营状态下的应力分布情况。
1 工程概况
拟建红石山大桥位于阳春市春湾镇红石山村境内，桥梁位于分离式路基上，按上下行两座桥梁进行设计，起点侧接犁头村隧道，主桥跨越深谷，最大桥高93m ，上下行两座桥主桥上部结构均为（65+120+65）m 预应力混凝土连续刚构，桥宽16.5m ，悬臂4m ，底板宽8.5m ，跨中梁高3m ，支点梁高7.4m 。箱梁梁高按2次抛物线变化，顶板及横隔板设置横向预应力，腹板布置竖向预应力粗钢筋。横隔板厚1.2m ，设置检修人孔。主墩采用单肢箱形，纵桥向宽7.5m ，横桥向宽8.5m ，壁厚1m 。
上部结构箱梁采用C55混凝土，纵向预应力束中的顶板束、边中跨顶底板合拢束采用M15-22，腹板束采用M15-21，顶板横向预应力束采用M15-3，fpk=1860MPa ，弹性模量Ep=195000MPa ；横隔板横
向预应力及腹板竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢，fpk=930MPa ，弹性模量Ep=2.00e5MPa ，主墩采用C40混凝土。
2 ANSYS 软件功能简介
ANSYS 有限元通用软件功能强大，主要可以进行五个方面的分析：
结构分析：分析结构的变形、应力和稳定问题。热分析：分析系统或部件的温度分布。流体分析：分析确定流体的流动状态和温度。电磁分析：分析计算电磁设备中的磁场。耦合场分析：考虑两个或多个物理场之间的相互作用[1]。
3 有限元模型建立
3.1 建模方法
连续刚构桥通常采用悬臂浇筑施工，预应力钢束数量众多，建立全桥空间有限元实体模型，单元数量将会非常庞大，建模过程将会特别复杂，钢束单元与混凝土单元之间的连接会耗费大量的时间，计算过程将会非常耗时，计算文件很庞大，甚至出现内存不足，计算失败。因此，有必要对模型进行简化处理。依据圣维南原理，0号块的应力分布只与其附近区域的应力分布有关，即远离0号块区域的应力状态对其应力分布的影响可以忽略不计[2]。因此本文对模型作如下简化处理：有限元实体模型仅建立 0号块、两个悬浇段2×3.5m 及8m 桥墩作为分析研究对象。3.2 单元选取
自制锅盖天线ANSYS 中可选用的单元类型众多，混凝土通常可选用Solid45、Solid95单元进行模拟。预应力钢束(钢筋)通常可由Link1、Link8单元进行模拟。
Solid45：8节点实体单元，可模拟3D 实体结构，可退化为五面体或四面体单元，正交各向异性材料。Solid95：Solid45的高阶单元，对不规则形状具有较好的精度；由于采用协调的位移插值函数，可很好地适应曲线边界。Link1：二维杆单元，工程中应用广泛，可以用作桁架、连杆等。Link8：与Link1单元对应的三维杆单元，可模拟桁架、连杆、索和弹簧。在节点输入温度作为单元的体荷载[3]。
据以上分析，0号块形状复杂，混凝土采用Solid95单元模拟，单元划分形式采用自由网格划分。本计算模型为空间有限元实体模型，预应力钢束、预应力精轧螺纹钢筋采用Link8三维杆单元模拟，预应力采用降温方式施加。
3.3 预应力钢束的建立
预应力钢束（筋）采用实体力筋法建立时，通常采用以下三种方法：
实体切分法：基本思路是用工作平面及力筋线对建立好的几何体进行切割，从而得到预应力钢束线型。此种方法，预应力筋位置准确，求解结果精确。但0号块模型结构复杂，对几何体进行切割后，
切割后会产生许多不规则几何体，如顶板切割后，会产生厚度方向尺寸很小，但是长宽方向尺寸相对较大的几何体，单元网格划分时，可能会出错，因此本文不采用此方式。
节点耦合法：基本思路是分别建立实体和力筋线，分别进行网格划分，单元划分后采用耦合节点自由度，
DOI:10.ki.2096-2789.2019.03.006
| 研究成果 | Research Findings
·14·
2019年第3期
将混凝土实体单元与预应力钢束杆单元联系起来。此法，两种单元网格划分互不影响，但是单元划分尺寸较小时，单元数量较多时，耦合速度较慢，本文不采用此法。约束方程法：与节点耦合法类似，分别建立实体和力筋，单元网格划分后，在混凝土和预应力筋之间建立约束方程，此法相对节点耦合法简单，速度快，计算精度更高，故本文采用此法。3.4 单元划分
0号块形状复杂，采用映射网格划分形式，需对体
进行切割成多个块，以满足映射网格划分的条件，这样
会导致建模过程复杂，且会生成许多小块，造成单元尺氢氧焊接机
寸可能会过小，而导致单元总数过于庞大，不利于计算[4]。
因此，本文选用自由网格划分形式，在满足计算精度前
提下，建模方便快捷，单元划分控制尺寸取0.5m 。
3.5 内力边界条件
梁端内力从整体计算模型中提取，轴力及剪力平均
油水冷却器
加载至梁端截面所有节点，弯矩等效为一对力耦加载至
实体模型中的梁端截面。ANSYS
混凝土实体模型及预应力钢束（预应力螺纹粗钢筋）模型分别如图1、图2所示。图1 1/2混凝土模型
图2 1/2预应力钢束模型
3.6 验算工况
0号块的验算，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的验算规定，验算短暂状况及持久状况，本文按以下四个工况进行验算及分析。
工况一：短暂状况，施工阶段最不利状态，即边跨合拢后中跨合拢前的不平衡状态。工况二：作用短期效应组合，验算构件正截面混凝土的拉应力及压应力，弯
天一辉远
矩效应最不利。工况三：作用短期效应组合，验算构件斜截面混凝土的主拉应力，剪力效应最不利。工况四：作用标准效应组合，验算混凝土的主压应力，弯矩效应最不利。四个工况的内力边界条件如表1所示。表1 各工况内力边界条件
4 计算结果根据ANSYS 计算结果，给出四种工况下，部分应
力云图，四种工况顶板、底板、腹板及横隔板应力云图，豆袋弹
如图3～图6所示。
图3 工况一：纵桥向应力云图（Pa）冶炼炉
图4 工况二：纵桥向应力云图（Pa）
左端右端
轴力FZ （kN）剪力FY （kN）弯矩MY （kN·m）轴力FZ （kN）剪力FY （kN）弯矩MY （kN·m）
工况一208000 -14800 138000 209000 -15400 104000
工况二199000 -16500 139000 198000 -19800 124000
工况三199000 -20500 15600 1.994e -22100 33500工况四199000 -16400 146000 198000 -20200 130000
Research Findings| 研究成果 | ·15·2019年第3期
图5 工况三：主拉应力云图（Pa）
图6 工况四：主压应力云图（Pa）
5 计算结果及分析
计算模型未考虑预应力钢束(钢筋)锚固区，四种工况作用下，预应力锚固点附近，局部应力集中，会出现应力值超标情况，但不影响总体计算结果，因此分析计算结果时，将剔除此部分影响因素。
（1）在工况一作用下，如图3所示，顶板、底板、腹板及横隔板纵桥向总体处于受压状态，在各倒角处及底板与桥墩相接处外侧，出现应力集中现象，底板与横隔板相交处外侧倒角表面，出现最大3.19MPa拉应力。正截面最大压应力值为14.5MPa，出现在中跨一侧顶板下缘，小于0.7f ck'=24.85MPa，满足短暂状况混凝土法向压应力验算要求，说明本桥在中跨合拢前，0号块正截面边缘混凝土的法向应力可以满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004[5]）的关于混凝土短暂状况的验算要求。
（2）在工况二作用下，如图4所示，顶板、底板、腹板及横隔板纵桥向总体处于受压状态，在各倒角处及底板与桥墩相接处外侧，出现应力集中现象，底板与横隔板相交处外侧倒角表面，出现最大2.95MPa拉应力。正截面最大压应力值为14.7MPa，出现在边跨一侧底板下缘，与桥墩相接附近，小于0.5f ck'=17.75MPa，满足短期作用下混凝土法向压应力验算要求。
（3）在工况三作用下，倒角区域之外，最大拉应力0.425MPa，小于0.4ftk=1.096MPa，满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）的短期作用下，斜截面抗裂验算要求。在底板与腹板倒角表面，出现最大拉应力2.6MPa。
（4）在工况四作用下，最大主压应力位于底板下缘与桥墩交接处，最大压应力17.2MPa，小于公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）限值0.6fck=21.3MPa；在横隔板及横隔板与底板倒角处，出现拉应力，最大拉应力0.72MPa，小于0.4ft-k=1.096MPa，满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）持久状况下，预应力混凝土的主拉应力的验算要求。
（5）以上四种工况作用下，顶板、底板、腹板及横隔板均可以满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）的相关验算要求，但各倒角处，或多或少地出现过大的拉应力，因此设计时，倒角处需特别注意，加强普通钢筋的设计。
（6）横隔板处检修人孔，在以上四种工况作用下，人孔附近，拉应力均不大，这得益于人孔采用圆形过渡，一定程度上改善了应力集中现象，但仍需加强普通钢筋的设计。
6 结束语
预应力砼连续刚构0号块空间结构复杂，全桥结构计算无法精确反应0号块的应力分布情况。本文采用ANSYS有限元软件对0号块进行空间实体建模分析，较准确地反应0号块的应力分布情况，经分析评定，0号块应力满足规范相关验算要求。
参考文献：
[1]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版
社,2007.
[2]陈丽军，胡宁，李运，等.某连续刚构桥0号块局部应力分
析[J].公路工程,2015,40(5):228-230.
[3]王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].
北京：人民交通出版社,2011.
[4]杨进，罗永，罗学成.连续刚构0号块的空间应力分析[J].
公路,2011(6):90-94.
[5]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计
规范[S].
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议