空心型箱型框架橋力學(xué)特性有限元分析

歐陽(yáng)章智，王東權(quán)，于廣云，岳 娜

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

箱型框架橋［1］是一種公路下穿式的公路與鐵路立交橋，其主體結(jié)構(gòu)為箱型框架，這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，抗變形能力強(qiáng)，基底應(yīng)力小，適合于地基承載力低、不均勻沉降大的地質(zhì)條件。因此，常用于城市道路或公路與鐵路的立交橋梁、礦區(qū)抗采動(dòng)變形橋梁。

箱型框架橋混凝土和鋼筋的用量過(guò)多，設(shè)計(jì)偏于安全，在整個(gè)箱型框架橋中的材料利用率比較低。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)箱型框架橋結(jié)構(gòu)合理形式研究很少，鑒于此，本文首次提出空心型箱型框架橋，借鑒空心板橋的挖空形式，箱體頂板和側(cè)板做成空心大板，底板做成實(shí)心大板，一方面能有效地減小實(shí)心橋體截面面積，提高其抗彎截面系數(shù)與橫截面積的比值，使結(jié)構(gòu)更具合理性、經(jīng)濟(jì)性;另一方面能有效地減小基底附加應(yīng)力，保證其地基承載力的要求?；谟邢拊浖嗀NSYS，通過(guò)建立三維模型，在橋體與墊層、側(cè)向土體、變形縫之間設(shè)置接觸來(lái)模擬其共同作用，對(duì)兩種箱型框架橋結(jié)構(gòu)，用數(shù)值模擬研究方法在正常使用階段的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比研究，得出橋體結(jié)構(gòu)和周圍土體的位移和最大主應(yīng)力及位置，為空心型箱型框架橋的設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。

1 有限元計(jì)算模型的建立

1.1 基本假設(shè)

1)框架橋箱體結(jié)構(gòu)是與土介質(zhì)形成一個(gè)連續(xù)或不連續(xù)的整體，兩者之間存在相互作用［2］。

2)箱型框架橋采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到橋體布筋的規(guī)律性，采用力學(xué)性能等效方法將之簡(jiǎn)化為素混凝土。

3)主要考慮結(jié)構(gòu)自重和列車荷載。列車活載采用“中—活載”，考慮動(dòng)力系數(shù)，換算成均布荷載滿布在橋面上。

1.2 計(jì)算參數(shù)

本模型材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

變形縫在計(jì)算中采用剛度弱化技術(shù)進(jìn)行處理，即采用彈性模量與混凝土彈性模量之比為2個(gè)數(shù)量級(jí)的柔性材料充填變形縫。

1.3 計(jì)算模型

箱型框架橋數(shù)值模擬選用二個(gè)并列箱體，在箱體之間設(shè)置一道0.1 m厚的變形縫，橋體與土體之間設(shè)置一層0.5 m厚的砂墊層，單個(gè)箱體跨度、寬度和高度尺寸分別為10 m、10 m、8 m，頂板厚度取箱體跨度的1/10，底板厚度比頂板厚0.2 m。底板橋側(cè)土體長(zhǎng)度取整橋跨的3倍，橋下土體高度取橋高的5倍。空心型箱型框架橋挖空半徑為0.3 m，頂板9個(gè)孔，側(cè)板6個(gè)孔，計(jì)算模型見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

圖2 原型框架橋模型

圖3 空心型框架橋模型

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本文采用分步求解，先導(dǎo)出初應(yīng)力，再將其導(dǎo)入的方法。在考慮重力作用的情況下，可以保證所建模型的尺寸和初始應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際情況相符。

2.1 兩種結(jié)構(gòu)形式和土體位移場(chǎng)分布對(duì)比分析

本文取兩種箱型框架橋結(jié)構(gòu)和土體豎向位移為研究對(duì)象。兩種箱型框架橋左右箱體豎向位移變化規(guī)律一致，并且具有對(duì)稱性，在此取變化較大的左箱體進(jìn)行研究。見(jiàn)圖4～圖7和表2。

1)從圖4～圖7可以看出，土體的豎向位移隨深度愈向下愈小;空心型橋體周圍土體的豎向位移比原型位移小。可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)販p輕橋體的自重可降低土體沉降。

圖4 原型框架橋周圍土體豎向位移分布

圖5 空心型框架橋周圍土體豎向位移分布

圖6 左箱涵頂板豎向位移曲線

圖7 左箱涵底板豎向位移曲線

2)從表2可知，在橋體自重和列車荷載作用下，兩種橋體豎向位移變化規(guī)律一致，左箱體頂(底)板豎向最大位移都發(fā)生在最右側(cè)頂(底)板位置處，左箱體頂板豎向位移差值比底板豎向位移差值大0.02 cm左右;適當(dāng)?shù)販p輕橋體的自重可降低頂板和底板的最大豎向位移。

表2 左箱體頂、底板豎向位移值cm

2.2 兩種結(jié)構(gòu)形式和土體應(yīng)力場(chǎng)分布對(duì)比分析

本文選取兩種箱型框架橋和土體的第一主應(yīng)力分布圖為研究對(duì)象。兩種箱型框架橋左右箱體應(yīng)力變化規(guī)律一致，并且具有對(duì)稱性，在此取變化較大的左箱體進(jìn)行研究。見(jiàn)圖8～圖13和表3、表4。

圖8 原型框架橋周圍土體第一主應(yīng)力分布

表3 左箱體基底附加應(yīng)力最大值 kPa

表4 橋體主拉應(yīng)力最大值 MPa

1)從圖8和圖9可以看出，在橋體自重和列車荷載作用下，地基附加應(yīng)力呈擴(kuò)散分布;且由于橋體自重減輕，空心型橋體對(duì)地基作用所產(chǎn)生的附加應(yīng)力值比原型橋體要小。

2)從表3可知，空心型橋體左箱體基底附加應(yīng)力最大值比原型約減小13%。

3)結(jié)合圖10、圖11與表4，原型橋體最大主拉應(yīng)力發(fā)生在左箱體底板內(nèi)側(cè)在跨中到左側(cè)板之間，約為1.87 MPa;空心型橋體最大主拉應(yīng)力發(fā)生在左箱體頂板左側(cè)第二個(gè)孔上，約為2.25 MPa，空心型橋體最大主拉應(yīng)力比原型約增大20%，最大主拉應(yīng)力都在結(jié)構(gòu)等效最大拉應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖9 空心型框架橋周圍土體第一主應(yīng)力分布

圖10 原型框架橋第一主應(yīng)力分布

圖11 空心型框架橋第一主應(yīng)力分布

4)從圖12可知，兩種橋體第一主應(yīng)力變化規(guī)律相似，空心型橋體挖孔處應(yīng)力的變化幅度比較大。左箱體頂板內(nèi)側(cè)在跨中到右側(cè)板之間存在較大的拉應(yīng)力，左箱體底板內(nèi)側(cè)在跨中到左側(cè)板之間存在較大的拉應(yīng)力。

5)從圖13可知，兩種橋體第一主應(yīng)力變化規(guī)律相似，空心型橋體挖孔處的應(yīng)力變化幅度比較大。橋體左箱體兩側(cè)板的內(nèi)側(cè)存在拉壓狀態(tài)，受力比較小;橋體左箱體左側(cè)板外表面全處于受拉狀態(tài);在橋體左箱體右側(cè)板外表面大部分處于受拉狀態(tài)，在豎直方向-2～-3 m之間存在壓應(yīng)力。

圖12 原型框架橋與空心型框架橋頂板、底板第一主應(yīng)力曲線

圖13 原型框架橋與空心型框架橋左側(cè)板、右側(cè)板第一主應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

通過(guò)ANSYS有限元軟件，在橋體自重和火車荷載作用下，分析得到兩種箱型框架橋結(jié)構(gòu)和土體的位移、應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。本文得到以下幾個(gè)結(jié)論:

1)適當(dāng)減輕橋體的自重可降低橋體周圍土體沉降。

2)兩種橋體豎向位移變化規(guī)律一致，左箱體頂(底)板豎向最大位移都發(fā)生在最右側(cè)頂(底)板位置處，適當(dāng)減輕橋體的自重可降低頂板和底板的最大豎向位移。

3)空心型橋體對(duì)地基作用所產(chǎn)生的附加應(yīng)力值比原型橋體要小。

4)原型橋體最大主拉應(yīng)力發(fā)生在左箱體底板內(nèi)側(cè)在跨中到左側(cè)板之間，空心型橋體最大主拉應(yīng)力發(fā)生在左箱體頂板左側(cè)第二個(gè)孔上，最大主拉應(yīng)力都在結(jié)構(gòu)等效最大拉應(yīng)力范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，空心型橋體的結(jié)構(gòu)形式是合理的。此外，在設(shè)計(jì)空心型箱型框架橋時(shí)，應(yīng)該注意到橋體挖空處應(yīng)力變化幅度比較大。

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