20110214城市高架桥连续宽箱梁空间效应研究.doc

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20110214城市高架桥连续宽箱梁空间效应研究

城市高架桥连续宽箱梁空间效应研究 摘要:本文采用基于ANSYS平台开发的预应力混凝土箱梁精细化数值模拟系统,研究城市高架桥连续宽箱梁受力特性,采用与梁单元分析对比的方法,探讨了预应力、恒载、温度、位移、活载等作用下的箱梁空间效应。研究发现,纵横预应力对纵横向受力均有影响;按常规梁单元分析方法,边腹板较实际情况偏于危险;各种作用的空间效应各有特点。建议对空间效应明显的宽箱采用精细化数值模拟系统进行分析。 关键词:宽箱梁;空间分析;剪力滞效应;偏载系数 1、前言 为了适应城市交通发展的需要,现在一般城市高架桥要求修建双向6车道以上,桥梁横向宽度达到25 m或者更宽。桥梁的横向宽度较大,但立柱位置却受到地面道路规划宽度的限制,造成桥梁横向挑臂大,宽跨比增加,空间效应十分显著,因此不宜忽略空间效应而直接按平面杆系理论进行设计计算,研究此类桥梁的空间受力特性,具有很好的理论和工程实用价值,这也得到大家的重视,目前这方面的研究较多[1] [2] 3],但也其局限性:(1)对结构纵横向变形协调关系研究不多;(2)受研究工具限制,对箱梁应力分布规律的研究不全面,主要集中在结构重力作用这一种特定类型,难以代表其它作用下箱梁应力分布规律;另外汽车荷载一般是手工布置。 本文以某城市快速化改造工程三跨预应力混凝土连续宽箱梁(30 m+30 m+30 m)为例,研究其在各种作用下的空间效应。该桥梁全宽25.5 m,双向6车道,主梁采用单箱四室断面,纵向、横向预应力体系,混凝土标号C50。上部结构采用整体现浇法施工,设计荷载为汽车—公路I级。 图1 桥梁横截面图 2、空间分析模型 如需精确模拟桥梁结构的受力状况,就须采用包含以三维实体单元为基础的大型有限元软件。但通常大型通用有限元软件在处理桥梁结构施工分析、混凝土材料收缩徐变、预应力模拟、施工过程模拟、活载计算等方面显得无能为力。本文采用基于ANSYS平台开发的预应力混凝土箱梁精细化数值模拟系统[4] [5],研究城市高架桥连续宽箱梁空间效应。所建立的有限元模型如图2所示。 图2 有限元模型及其预应力系统 3、预应力空间效应分析 3.1纵向预应力对横向受力的影响 图3中跨跨中截面结构自重和结构自重+纵向预应力作用下箱梁横向应力 图3为中跨跨中截面结构自重和结构自重+纵向预应力作用下箱梁横向应力。通过对两图的对比可发现,结构自重作用下(不含二期恒载),箱梁横向畸变现象比较明显,中间腹板顶横向拉应力为2.1MPa,张拉纵向预应力后,横向畸变现象显著减小,拉应力减小到0.4MPa。纵向预应力对横向受力有明显的影响。 3.2桥面板预应力对纵向受力的影响 在采用平面梁单元模型分析对三维实体模型进行校核中,发现了一个有趣的现象:张拉桥面板横向预应力对支点反力有明显的影响,见表1。 表1 反力比较表(kN) 阶段 软件 边支点 中支点 总反力 施加纵向预应力 QJX 7237 15287 45048 ANSYS 7226 15295 45042 施加桥面板横向预应力 QJX ╱ ╱ ╱ ANSYS 7378 15143 45042 采用平面梁单元模型或者梁格模型是无法解释这一现象的,原因在于梁单元模型纵横向分割,无法反映出结构纵横向变形协调关系。 张拉桥面板横向预应力,由于泊松比效应,产生类似于桥面板升温效应,引起中支点反力减小,边支点反力增加;主梁上缘压应力增加,下缘压应力减小。图4为张拉横向预应力前后中跨跨中截面纵向应力,张拉后上缘纵向压应力增加0.7~0.8MPa,下缘纵向压应力减小约0.5MPa。 图4张拉横向预应力前后纵向应力比较 4、恒载作用下箱梁空间效应分析 图5 成桥阶段箱梁纵向应力 图5-1成桥阶段边跨跨中纵向应力 图5-2成桥阶段边跨中支点附近纵向应力 图5-3成桥阶段中支点纵向应力 图5-4成桥阶段中跨跨中纵向应力 在包括结构重力、纵横向预应力、二期恒载、收缩徐变各种不同永久作用下,箱梁应力分布规律各不相同。以往对箱梁应力分布规律的研究主要集中在结构重力作用这一种特定类型,这是难以代表其它作用下箱梁应力分布规律。由于箱梁应力分布规律各不相同,寻找统一简单的规律也是难以实现的。本文以成桥阶段箱梁应力分布为对象,研究综合作用下应力分布特点。 图5.1~图5.4为成桥阶段各关键断面纵向应力,其中,边跨跨中是指边跨0.4L处,边跨中支点附近是指中横梁边缘。成桥阶段各关键断面纵向受力有如下特点: (1)与QJX箱梁纵桥向计算结果相比,主梁各处内力、应力值及应力变化趋势基本一致。 (2)实体模型顶底板纵桥向正应力分布不均匀,但各关键断面程度差异较大。 (3)考虑结构的空间效应时,平截面假定不满足,即截面的中性轴不再是一条直线,而是一个曲线,而

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