連續(xù)剛構(gòu)墩頂0號(hào)塊應(yīng)力分析

摘要：根據(jù)圣維南原理，利用Midas FEA軟件建立連續(xù)剛構(gòu)墩頂0號(hào)塊空間分析模型，進(jìn)行空間應(yīng)力分析。文章結(jié)合具體工程實(shí)例，通過分析最大懸臂狀態(tài)及成橋狀態(tài)下的主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力來總結(jié)0號(hào)塊在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律，提出了0號(hào)塊設(shè)計(jì)與施工過程中的一些建議，為以后類似橋梁的設(shè)計(jì)提供一些參考。

[作者簡(jiǎn)介]龔健根（1987—），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

連續(xù)剛構(gòu)橋又稱為墩、梁固結(jié)的連續(xù)梁橋。既有T型剛構(gòu)橋的特點(diǎn)，又具有連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)，因此，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在實(shí)際施工中大多采用懸臂澆筑施工，即在主墩墩頂搭設(shè)臨時(shí)支架，現(xiàn)澆墩頂0號(hào)塊并完成該節(jié)段相應(yīng)的施工，然后在0號(hào)塊兩側(cè)安裝掛籃對(duì)稱澆筑下一節(jié)段混凝土。因此，墩頂0號(hào)塊對(duì)整座橋梁來說是十分關(guān)鍵的構(gòu)件，但是，因?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，同時(shí)由于0號(hào)塊在施工初期就開始受力且空間結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，各部分的應(yīng)力分布不均勻，為保證其質(zhì)量與結(jié)構(gòu)的安全，本文結(jié)合鹿寨-欽州港公路（鹿寨至魚峰段）高速公路施工圖項(xiàng)目中某一座橋梁，對(duì)0號(hào)塊進(jìn)行最大懸臂狀態(tài)及成橋狀態(tài)的空間應(yīng)力分析，提出了0號(hào)塊設(shè)計(jì)與施工過程中的一些建議，為以后類似橋梁的設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 工程概況

本橋于柳州市鹿寨縣江口鄉(xiāng)寶塔村青洲河段跨越柳江，依次經(jīng)過柳江主航道、青洲、龍河洲等灘涂。橋址上距洛清江河口約1.8 km、紅花水利樞紐約22.2 km，下距大藤峽水利樞紐約191 km。橋址處在大藤峽水利樞紐回水變動(dòng)區(qū)柳江鎖匙筒灘上，通航孔布置在鎖匙筒灘現(xiàn)行航道（左汊）。

柳江特大橋起點(diǎn)樁號(hào)K19+009.368，終點(diǎn)樁號(hào)K20+684.368，主橋采用（256+64+56+146） m獨(dú)塔雙索面混合梁-組合梁斜拉橋，2座主要引橋采用（45+80+45） m連續(xù)剛構(gòu)，其余引橋采用預(yù)制梁。剛構(gòu)橋采用分幅設(shè)計(jì)，單幅橋橋面構(gòu)成為0.5 m護(hù)欄+11.75 m凈橋?qū)?0.5 m護(hù)欄=12.75 m，下部結(jié)構(gòu)采用單肢空心薄壁墩。

2 構(gòu)造尺寸及鋼束

2.1 構(gòu)造尺寸

主墩墩頂上部梁高5.2 m，合龍段梁高2.5 m，箱梁頂板厚度0.3 m，跨中底板厚0.32 m，上部梁高和底板厚度均按2.0次拋物線漸變。箱梁腹板厚度1～4號(hào)梁段采用0.75 m， 5號(hào)梁段由0.75 m直線漸變到0.55 m，漸變段長(zhǎng)度4 m，6～10號(hào)梁段采用0.55 m。0號(hào)塊采用實(shí)心，主墩采用空心薄壁墩。在邊跨端橫梁上設(shè)置一0.8 m×0.8 m的檢修預(yù)留孔。箱梁頂寬12.75 m，底寬7.05 m，頂板懸臂長(zhǎng)度2.85 m，懸臂板端部厚0.2 m，根部厚0.75 m。箱梁頂橫坡同路線橫坡，底板水平，通過腹板高差調(diào)整。箱梁澆筑分段長(zhǎng)度依次為10.0 m長(zhǎng)0號(hào)段+4×3.5 m+5×4.0 m，邊、中跨合龍段長(zhǎng)均采用2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)4.0 m。主墩箱型截面，橫橋向?qū)?.05 m，順橋向?qū)?.0 m，墩頂?shù)追謩e設(shè)置2.0 m實(shí)心段，墩上部分壁厚0.5 cm，墩下部分壁厚0.8 cm，墩高40 m左右?；A(chǔ)采用3.5 m承臺(tái)加4根1.8 m樁基礎(chǔ)的形式。橫截面尺寸及懸澆節(jié)段劃分示意如圖1～圖3所示。

2.2 鋼束

預(yù)應(yīng)力鋼束采用情況詳見表1、表2。

3 模型建立及有限元分析

3.1 連續(xù)剛構(gòu)全橋模型

連續(xù)剛構(gòu)全橋模型見圖4。

（1）節(jié)點(diǎn)數(shù)量：115個(gè)。

（2）單元數(shù)量：112個(gè)。

（3）邊界條件數(shù)量：7個(gè)。

（4）施工階段數(shù)量：37個(gè)。

3.2 荷載工況及荷載組合

（1）自重。自重系數(shù)：-1.04。

（2）整體升降溫。

①整體升溫，25.0 ℃;②整體降溫，-25.0 ℃。

（3）徐變收縮。收縮齡期：3 650 d。

（4）支座沉降。主墩取10 mm沉降量，交接墩取5 mm沉降量。

（5）可變荷載。活載：汽車荷載，橋梁等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。

沖擊系數(shù)μ可按式計(jì)算：當(dāng)f<1.5 Hz時(shí)，μ=0.05;當(dāng)1.5 Hz≤f≤14 Hz時(shí)，μ=0.1767ln（f）-0.0157;當(dāng)f>14 Hz時(shí)，μ=0.45;

根據(jù)規(guī)范，計(jì)算的結(jié)構(gòu)基頻f=1.47 Hz，沖擊系數(shù)μ =0.050。

（6）二期恒載。包括橋面鋪裝10 cm瀝青，兩邊護(hù)欄，二期恒載取50.6 kN/m。

（7）制動(dòng)力。工程結(jié)構(gòu)龔健根： 連續(xù)剛構(gòu)墩頂0號(hào)塊應(yīng)力分析

按規(guī)范計(jì)算，其值為2.6 kN/m。

（8）風(fēng)荷載。按JTG/TD 60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，主體計(jì)算時(shí)縱風(fēng)荷載為主墩（7.4 kN/m）、梁體（1.6 kN/m），均按梯度加載。橫向計(jì)算時(shí)橫風(fēng)荷載為主墩（3.6 kN/m）、梁體（8.1 kN/m），均按梯度加載。

（9）荷載組合。Civil Designer按規(guī)范自動(dòng)組合。

3.3 箱梁0號(hào)塊結(jié)構(gòu)模型

利用Midas FEA軟件建立0號(hào)塊空間分析模型，根據(jù)圣維南原理：墩頂0號(hào)塊的空間應(yīng)力狀態(tài)只與其附近范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其影響可以忽略不計(jì)。本次建立的模型包含了0號(hào)塊和0號(hào)塊相鄰梁段。實(shí)體模型如圖5所示。

根據(jù)0號(hào)塊結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)體網(wǎng)格劃分單元尺寸為0.5 m，預(yù)應(yīng)力鋼束網(wǎng)格劃分單元尺寸為1.0 m（圖6、圖7）。

4 應(yīng)力分析

利用Midas FEA軟件建立0號(hào)塊空間分析模型，就可以計(jì)算出實(shí)體模型中任意單元和節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大小，本文通過最大懸臂狀態(tài)及成橋狀態(tài)下的主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力來分析0號(hào)塊在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

4.1 最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力分析

由圖8可知，最大懸臂狀態(tài)下0號(hào)塊主壓應(yīng)力值在-10.33～0.03 MPa之間（拉正壓負(fù)），0號(hào)塊以受壓為主，只有在橫隔板端部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.03 MPa，最大壓應(yīng)力值10.33 MPa<0.7f′ck=20.328 MPa，滿足規(guī)范要求。

由圖9可知，最大懸臂狀態(tài)下0號(hào)塊主拉應(yīng)力值在-2.39～0.64 MPa之間（拉正壓負(fù)），拉應(yīng)力最大值0.64 MPa<1.15f′tk=2.58 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 成橋狀態(tài)應(yīng)力分析

由圖10可知，成橋狀態(tài)下0號(hào)塊主壓應(yīng)力值在-23.27～0.07 MPa之間（拉正壓負(fù)），由于-23.27 MPa區(qū)域只占了0.3 %，可忽略。0號(hào)塊以受壓為主，主要在橫隔板出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.07 MPa，有效最大壓應(yīng)力14.5 MPa<0.5fck=17.75 MPa，，滿足規(guī)范要求。

由圖11可知，成橋狀態(tài)下0號(hào)塊主拉應(yīng)力值在-5.43～1.13 MPa之間（拉正壓負(fù)），拉應(yīng)力最大值1.13 MPa小于C55混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.89 MPa，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

利用Midas FEA軟件建立0號(hào)塊空間分析模型，就可以得到實(shí)體單元的應(yīng)力分布規(guī)律，得出結(jié)論：

（1）連續(xù)剛構(gòu)墩頂0號(hào)塊構(gòu)造復(fù)雜，且處于三向預(yù)應(yīng)力作用下，應(yīng)力分布規(guī)律較復(fù)雜，進(jìn)行空間應(yīng)力分析十分必要[2]。

（2）頂板主要處于壓應(yīng)力作用下，分布規(guī)律是四周應(yīng)力大、中部應(yīng)力小，橫隔板與頂板相接處存在應(yīng)力集中[3]。本橋頂板壓應(yīng)力程度較低，不控制設(shè)計(jì)。

（3）最大懸臂狀態(tài)下0號(hào)塊以受壓為主，只有在橫隔板端部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但最大拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

（4）成橋狀態(tài)下0號(hào)塊以受壓為主，主要在橫隔板出現(xiàn)拉應(yīng)力，但最大拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

（5）箱梁截面在橫隔板附近截面發(fā)生突變，容易造成應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)混凝土被拉裂現(xiàn)象。設(shè)計(jì)及施工過程中建議采用以下措施：截面尺寸發(fā)生變化處，設(shè)置過渡段;容易產(chǎn)生應(yīng)力集中處設(shè)置鋼筋網(wǎng);優(yōu)化墩頂鋼束配置或增設(shè)抗拉主筋;施工中采用分段分次澆筑混凝土并采取降溫措施，使0號(hào)塊得到充分養(yǎng)護(hù)，減小溫度應(yīng)力，同時(shí)保證0號(hào)塊在受外力時(shí)混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)

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