彭桂瀚,朱承堅(jiān),林偉
(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建福州350116;2.可持續(xù)與創(chuàng)新橋梁福建省高校工程研究中心,福建福州350116)
斜拉橋索梁錨固段是結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵區(qū)域,承受斜拉索索力、預(yù)應(yīng)力及移動荷載等共同作用,受力復(fù)雜.同時構(gòu)造設(shè)計靈活多樣,主梁選用板式、分離式或閉合箱形等多種截面形式,錨固塊可設(shè)在箱梁頂板、底板,橫隔板以及翼緣板等位置[1].桿系模型無法掌握索梁錨固段的局部應(yīng)力分布特點(diǎn).國內(nèi)外學(xué)者通常結(jié)合足尺試驗(yàn)和實(shí)體有限元分析法針對不同構(gòu)造形式具體分析,研究應(yīng)力分布規(guī)律及結(jié)構(gòu)承載力.文獻(xiàn)[2]通過有限元法分析了索梁耳板式錨固區(qū)受力情況;文獻(xiàn)[3]結(jié)合有限元法與光彈試驗(yàn)對豎琴式斜拉橋索錨固區(qū)進(jìn)行局部應(yīng)力計算;文獻(xiàn)[4]針對鋼錨箱錨固區(qū)進(jìn)行局部有限元應(yīng)力分析;文獻(xiàn)[5-7]通過足尺試驗(yàn)及有限元法分析錨拉板式、錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的應(yīng)力分布及傳遞路徑,評價結(jié)構(gòu)承載力,進(jìn)行設(shè)計參數(shù)分析;文獻(xiàn)[8]進(jìn)行索梁錨固區(qū)的非線性有限元分析.而流線型箱梁與翼緣板錨固的結(jié)構(gòu)形式在工程中的應(yīng)用研究較少.因此,為了掌握該類型索梁錨固段的應(yīng)力分布以及索力傳遞路徑,合理選擇研究節(jié)段,文章結(jié)合光彈性試驗(yàn)與有限元法分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力特點(diǎn),評價與優(yōu)化預(yù)應(yīng)力設(shè)置,討論計算模型邊界條件的取值,為合理結(jié)構(gòu)設(shè)計提供必要的理論依據(jù).
泉州晉江大橋是一座200 m+165 m的獨(dú)塔雙索面混凝土斜拉橋.主梁為雙箱單室波浪曲線型預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁,如圖1所示.斜拉索采用環(huán)氧涂層高強(qiáng)鋼絞線,索面呈扇形布置,主梁上索距7 m、塔上2 m.主梁采用兩分離式單箱,間距18 m.箱梁板寬38 m,板厚0.25 m;曲線底板厚0.3~0.5 m,懸臂板長4.5 m、梁高3.2 m~3.38 m.斜拉索錨固在外懸臂板的弧線形鋸齒塊上.主梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系.同時為保證結(jié)構(gòu)整體性,箱梁內(nèi)間距3.5 m設(shè)置一道橫梁,板厚0.3 m.
圖1 主梁橫斷面 單位:cm
光彈性試驗(yàn)是采用全息拍照方式獲取等色線條紋以推算試驗(yàn)?zāi)P椭鲬?yīng)力的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法.測定結(jié)構(gòu)自由邊界應(yīng)力、孔周應(yīng)力及最大剪應(yīng)力時可靠度高.試驗(yàn)?zāi)P涂s尺比例1:60,荷載比例1:2×105,?;菿=55.6,一級條紋實(shí)際應(yīng)力值為4.0Mpa.圖2給出了尾索索梁錨固段的研究節(jié)段,全長15.5 m.試驗(yàn)?zāi)P蛢啥烁魃扉L14.0 m,避免邊界效應(yīng)影響;圖中加載條件取至桿系模型的最大索力組合荷載,并通過自平衡驗(yàn)證.圖3為光彈性試驗(yàn)?zāi)P停?/p>
圖2 光彈試驗(yàn)研究節(jié)段與荷載條件
圖3 光彈性試驗(yàn)?zāi)P?/p>
光彈性試驗(yàn)僅能獲取切片內(nèi)應(yīng)力,無法獲取垂直方向應(yīng)力.試驗(yàn)剖切面布置如圖4所示,其中編號H表示橫橋向切片,Z表示縱橋向切片.試驗(yàn)?zāi)P褪┘虞S力、剪力和彎矩;彎矩由偏心的軸力形成.鋸齒塊施加等效索力.結(jié)構(gòu)自重模擬為頂板均布力作用.試驗(yàn)?zāi)P团c加載設(shè)備放入烤箱中,將結(jié)構(gòu)受力狀況“凍結(jié)”于模型中,使用409-Ⅱ光測彈性儀及wzb1-4石英補(bǔ)償器測試應(yīng)力分布.
圖4 光彈試驗(yàn)應(yīng)力剖切面示意圖
試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻,數(shù)值?。捎跈M梁橫向跨徑大,以橫向受彎為主,底部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,有索橫梁應(yīng)力值大于無索橫梁.圖5給出H2剖切面的等色線及應(yīng)力示意圖,梁底拉應(yīng)力達(dá)最大值20MPa.過人孔洞上下對角處呈受拉狀況,最大拉應(yīng)力3.1Mpa.同時斜拉索錨固點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,最大拉壓應(yīng)力值分別為5.5MPa與28.0MPa,如圖6所示.
圖5 H2剖面等色線及應(yīng)力示意圖 單位:MPa
圖6 Z5剖面等色線及應(yīng)力示意圖 單位:MPa
通常采用子模型或直接建模法建立局部分析模型.子模型法需要建立全橋?qū)嶓w模型,并對研究區(qū)域進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格,建模工作量大,單元數(shù)量多[9].本文采用直接建模法,對研究節(jié)段建立幾何模型,基于通用有限元軟件ANSYS平臺,分別采用20節(jié)點(diǎn)的solid95單元與link8單元模擬混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)[10].其中通過升降溫法模擬預(yù)應(yīng)力索的張拉,如圖7所示.為減小計算量,利用結(jié)構(gòu)和荷載的對稱性,建模時橫橋向僅取半橋?qū)挾龋?jīng)過網(wǎng)格劃分后的索梁錨固段有限元實(shí)體模型共56 250個單元,120 090個節(jié)點(diǎn).
根據(jù)圣維南原理,加載端與研究節(jié)段具備足夠長的距離,即可排除邊界效應(yīng)影響.光彈試驗(yàn)?zāi)P统叽缡苤朴诳鞠浯笮。邢拊P涂伸`活進(jìn)行邊界處理.如圖8所示,以橋梁寬度19 m為基數(shù),變化固定端與加載端的長度,分析尾索橫梁跨中底部拉應(yīng)力變化,確定邊界條件.計算結(jié)果如表1所示,保持固定段長度19 m不變,加載段增至38 m長度時,橫梁梁底拉應(yīng)力值不再變化;保持加載段長度38 m不變,固定段長度增至38 m時,偏差僅為3.8%.綜合計算工作量,有限元模型加載段與固定段均取值38 m,僅考慮材料特性,不計其重量.
圖7 有限元實(shí)體模型
圖8 邊界條件示意圖
表1 不同邊界條件橫梁底部橫向應(yīng)力比較表
光彈性試驗(yàn)由于邊緣效應(yīng)以及試驗(yàn)工藝上的差異將對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響,與有限元計算結(jié)果存在數(shù)值差別[11].圖9為H2剖面有限元計算的應(yīng)力等值線,與光彈試驗(yàn)測試結(jié)果一致,橫梁跨中底部產(chǎn)生最大拉應(yīng)力8.7Mpa,沿豎向向上逐漸轉(zhuǎn)為受壓,同時如圖10所示.錨固點(diǎn)處等值線密集,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,最大壓應(yīng)力值21.8Mpa;在錨固鋸齒塊與箱梁腹板相交處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力7.08MPa.光彈試驗(yàn)測試與有限元模型計算得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律一致,應(yīng)力量值相符,驗(yàn)證了計算模型的可靠性.
圖9 H2截面應(yīng)力等值線圖 單位:Pa
圖10 Z5截面應(yīng)力等值線圖 單位:Pa
光彈試驗(yàn)與有限元初步分析均表明,橫梁受力最為不利,優(yōu)化設(shè)計施加縱、橫向預(yù)應(yīng)力以改善結(jié)構(gòu)受力.圖11所示,有索橫梁與無索橫梁配置4根19-?15.24預(yù)應(yīng)力索,有效預(yù)應(yīng)力N1為2 344 kN,N2為2 100 kN,N3、N4為2598kN;考慮預(yù)應(yīng)力后加載條件如圖12所示.以拉應(yīng)力值最大的尾索橫梁為例,圖13是H2剖面的等值線圖.施加預(yù)應(yīng)力后,結(jié)構(gòu)受力更為合理,橫梁跨中全截面處于受壓,壓應(yīng)力由底緣往頂緣逐漸減小,最大壓應(yīng)力6.41MPa.
圖11 預(yù)應(yīng)力索布置示意圖
圖12 有限元模型加載條件
圖13 H2截面應(yīng)力等值線圖(優(yōu)化后) 單位:Pa
主應(yīng)力跡線顯示力的傳遞路徑,掌握結(jié)構(gòu)受力總體規(guī)律,可為鋼筋布設(shè)提供理論依據(jù).圖14為結(jié)構(gòu)主應(yīng)力跡線圖.圖中矢量長短表示主應(yīng)力大小,矢量方向表示主應(yīng)力方向,藍(lán)色表示壓應(yīng)力,黑色表示拉應(yīng)力.圖14(a)整體應(yīng)力云圖可見,除拉索錨固點(diǎn)、腹板與頂板交接區(qū)以及過人孔洞等區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯外,其他區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻,力值不大,且以受壓為主.翼緣板區(qū)受斜拉索索力影響,主應(yīng)力沿縱橋向傳遞,圖14(b)中A區(qū)所示;腹板至橋跨中心區(qū)域,主應(yīng)力跡線沿橫橋向傳遞,圖14(b)中C區(qū)所示;兩腹板之間區(qū)域主應(yīng)力傳遞路徑與橋梁縱軸線成一定角度,圖14(b)中B區(qū)所示.
圖15通過云圖形式給出了結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值大?。傮w上研究節(jié)段內(nèi)應(yīng)力水平低,以受壓為主.主梁縱向受壓,橫梁橫向受壓,如圖16所示.除個別區(qū)域外,結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力在16MPa以內(nèi),最大主拉應(yīng)力小于混凝土設(shè)計抗拉強(qiáng)度.同時,過人孔洞轉(zhuǎn)彎處計算最大拉應(yīng)力7.06Mpa,斜拉索錨固點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力集中明顯,建議通過改進(jìn)構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計以緩解局部應(yīng)力集中.
圖14 結(jié)構(gòu)主應(yīng)力跡線圖
圖15 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖 單位:Pa
圖16 剖切面應(yīng)力云圖 單位:Pa
結(jié)合有限元法與光彈性試驗(yàn)對流線型箱梁斜拉橋索梁錨固段的應(yīng)力分布研究結(jié)果表明:
(1)有限元模型與光彈性試驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律一致,驗(yàn)證了計算模型的可靠性;
(2)光彈試驗(yàn)與有限元分析均表明,流線型箱梁斜拉橋索梁錨固段以受壓為主,內(nèi)部應(yīng)力分布均勻且數(shù)值小,說明錨固區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理;
(3)有限元加載邊界距研究節(jié)段大于2倍橋?qū)挘上吔缧?yīng)影響;
(4)優(yōu)化預(yù)應(yīng)力設(shè)計后,橫梁全截面受壓,結(jié)構(gòu)受力趨于合理;
(5)斜拉索錨固點(diǎn)與過人孔洞轉(zhuǎn)彎處應(yīng)力集中明顯,建議通過改進(jìn)構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計以緩解局部應(yīng)力集中問題.
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