酉水大桥大跨度预应力混凝土连续梁桥斜交高墩盖梁受力特征分析.pdf

第 3 8卷 ， 第 2期 2 0 1 3 年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 8， No 2 Ap r ， 2 0 1 3 酉水大桥大跨度预应力混凝土连续梁桥斜 交 -】 L _ I Cj 同 墩盖梁 受力特征分 析 陈建 平 ， 戴桂 华 ，李德 建。 ，胡立 华 ( 1 湖南省 交通科 学研究 院 ， 湖 南 长 沙4 1 0 0 1 5 ； 2 湖南省 张花高速公 路建设 开发有 限公 司，湖南 张家 界 4 2 7 0 0 0 ； 3 中南大学 土木 工程学院 ， 湖南 长 沙4 1 0 0 7 5 ) 摘 要以湖南省张花高速公路酉水大桥 ( 8 0 i n+1 4 5 in+8 0 m) 斜交 高墩大跨度悬 臂浇筑预应力 混凝土连 续箱梁桥为工程背景 ， 运用 M I D A S软件建立箱梁整体梁格模型 ， 得 出桥墩 的最不利荷载组合 ， 在此基础上运用 A N S Y S软件建立 主桥斜交高墩实体模 型 ， 对盖 梁在最 不利 上部荷 载作用下 的受 力特 征进行 分析 。分析 计算结 果表 明 ， 斜 交高墩盖梁应力分布特征有别于正交桥墩盖梁 ， 该正八边 形盖梁最 小压应力 产生 于支座垫 石与盖梁接 触面 中心处 ， 以垫石为中心向四周逐渐变大 ； 盖梁在两个支 座垫 石之间的局 部区域存 在超 出混凝土抗 拉极限设计 值的 拉应力 ， 该拉应力产生于 盖梁 中心 上表 面处 。分析 结果 对不 同于正交 桥 墩盖 梁支 点 角隅 区钢 筋 的配置 有指 导 意义 。 关键词 】大跨度预应力混凝土连续梁桥 ；斜交 高墩 ； 盖梁 ； 梁格模型 ；支点角隅 ； 应力特征 【 中图分类号U 4 4 3 2 2 【 文献标识码 A 【 文章 编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 5 - 0 5 Hi g h S k e w Pi e r Ca p p i n g Be a m S t r e s s Ch a r a c t e r i s t i c Ana l y s i s o f Yo u s h ui La r g e S p a n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i n u o u s Be a m Br i dg e CHE N J i a n p i n g ，D AI Gu i h u a ，L I D e j i a n ， HU L i h u a ( 1 Hu n a n C o mmu n i c a t i o n s Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a n g s h a ，Hu n a n 4 1 0 0 1 5，C h i n a ； 2 Hu n a n Z h a n g h u a E x p r e s s w a y C o n s t r u c t i o n& De v e l o p me n t C o ，L t d，Z h a n i a j i e ，Hu n a n 4 2 7 0 0 0，C h i n a ； 3 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， o n t h e l a c k g r o u n d o f Y o u s h u i b r i d g e ， a 8 0 m+1 4 5 m+8 0 m h i g h s k e w pi e r l a r g e s p a n c a n t i l e v e r c a s t i n g p r e s t r e s s e d c o n c r e t e bo x g i r d e r c o n t i n u o u s b r i d g e o f Z h a n g h u a h i g h wa y i n Hu na n pr o v i n c e ， t he o v e r a l l g r i l l a g e mo d e l o f b o x g i r d e r wa s e s t a b l i s he d b y us e o f Mi d a s S o f t wa r e， t h e n t h e mo s t u n f a v o r a b l e l o a d c o mb i na t i o n s o f pi e r s we r e o b t a i n e d On t h e b a s i s o f a b o v e， t h e c a p p i ng b e a m s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s u n d e r t h e mo s t u n f a v o r a bl e u pp e r l o a d s we r e c a r r i e d o u t b y u s e o f ANS YS s o f t wa r e b y e s t a b l i s h i n g a s o l i d mo d e l o f t h e ma i n p i e r T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e S t r e s s Di s t r i b u t i o n f e a t ur e s o f s k e w c a p p i n g b e a m a r e d i f f e r e n t f r o m t h a t o f o r t h o g o n a l p i e r c a p p i n g be a m Th e mi ni mu m c o mp r e s s s t r e s s o f t he r e g u l a r o c t a g o n c a p p i n g b e a m o c c u r s i n t h e c o n t a c t c e n t e r p l a c e o f b e a r i n g p a d s t o n e a n d c a p pi n g be a m ， a n d g r a d u a l l y be c a me l a r g e r a r o u n d t he p a d s t o n e t o t he s u r r o u n d i n g；t h e r e e x i s t s t e n s i l e s t r e s s b e y o n d t h e u l t i ma t e t e ns i l e d e s i g n v a l u e o f c o n c r e t e i n t h e l o c a l a r e a b e t we e n t wo b e a r - i n g p a d s t o n e s a n d t h e t e n s i l e s t r e s s O c c u r s a t t h e c e n t e r s u r f a c e o f t h e c a pp i ng b e a m Th e r e s u l t s c a n ma ke i mp o r t a n t g u i d i n g s i g n i f i c a n c e f o r a r r a n g e me n t o f b a r s i n t h e p i v o t c o r n e r s o f t h e c a p p i n g b e a m t h a t i s d i f f e r e n t f r o m o h o g o n a l c a p p i n g b e a m Ke y w o r d s l a r g e s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b r i d g e ；h i g h s k e w p i e r ；c a p p i n g b e a m； g r i l l a g e mo de l ；p i v o t c o r n e r ；s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c 改革开放以来 ， 我国国民经济水平有了显著提 高。在基础建设方面 ， 公路交通行业 的发展也 十分 收稿 1 3 期 】2 0 l 2 一l 2 一l O 基金项 目湖南省科技交通计划项 目( 2 0 1 0 2 2 ) 作者简 介陈建平 ( 1 9 6 3 一) ， 女 ， 湖南浏 阳人 ， 高级工程师 ， 主要从事路桥勘察设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 公路工程 3 8卷 的迅速。现如今 ， 随着我 国汽车保有量的逐年增长 以及物流行业的迅猛发展 ， 对交通线路的通行能力 要求也越来越大。线路的线形是公路通行能力影响 因素之一 ， 而桥梁 的走 向又会影响到线路的线形 ， 所 以斜交桥梁的出现是不可避免的。 斜交桥的设置方式可分为斜交正做和斜交斜做 2种方式。所谓“ 斜交斜做” 是指 当桥梁斜跨跨越 物时 ， 桥墩和桥台全部或部分 与线路中心线斜交布 置， 形成斜交结构 。所谓“ 斜交正做” 是指当桥梁斜 跨跨越物时， 桥墩和桥台全部 与线路中心线正交布 置， 此时结构仍为正交结构。 如图 1 所示为常用的斜交连续梁布置方式。图 1 ( a ) 为 A型斜交连续梁 ， 其特点是各支点均为斜交 布置 ， 梁体外形平面成平行 四边形 ， 即斜交斜做 ； 图 1 ( b ) 为 B型斜交连续梁， 梁体正做 ， 桥墩斜做， 支座 布置中线或与梁体纵向垂直或与梁体纵向斜交。 蠹 = = = = = ： = = = = ( a ) A 型斜 交连续 梁 眇 一 I - - t - L旦 J = = = = = = = = = = ( b ) B 型斜交连续梁 图 1 斜 交梁布置 图 Fi g u r e 1 S k e w b e a m l a y o u t 对于采用梁体正做 ， 桥墩斜做 ， 支座布置中线与 梁体纵向垂直布置的悬臂浇注施工 的连续梁 ， 斜交 高墩支点角隅区的局部受力特征较为复杂。对于斜 交高墩 大跨 度悬 臂 浇 注预 应 力 混凝 土 连 续 箱梁 桥 ， 桥墩 的设计 与施 工是 其关键 技术 之一 。 目前 国 内外 桥梁结构设计的相关文献 中， 对 于斜交高墩支点角 隅 区应 力分 布规 律 、 局 部受 力 特 征 及 钢筋 的配 置方 法都很少提及。然而 ， 在上部结构荷载或者施工过 程的影响下， 斜交高墩支点角隅区的应力分布规律 和正交桥梁相应结构 比较必然是存在 区别的 ， 若是 完全参照正交桥梁的结构进行配筋设计 ， 可能会导 致结构局部破坏， 严重 的将危及桥梁施工 安全与运 营。因此对斜交高墩支点角隅区的局部受力特征进 行分析就显得尤为重要。 湖南省张花高速 公路酉水大桥 ( 8 0 m+1 4 5 m +8 0 m) 斜交高墩大跨度悬臂浇筑预应力混凝土连 续箱梁桥采用“ 斜交正做” 方 案。本 文以此为工程 背景， 运用 MI D A S软件建立箱梁整体梁格模 型， 得 出桥墩的最不利荷载组合， 在此基础上运用 A N S Y S 软件建立主桥斜交高墩实体模型 ， 对桥墩盖梁在最 不利上部荷载作用下 的受力进行分析， 得出了一些 结论， 可供斜交高墩盖梁设计时参考。 1 工程概况与斜交高墩盖梁分析基本理论 酉水大桥主桥为一座斜交高墩 、 大跨度悬臂浇 筑预应力混凝 土连续箱梁桥， 跨径 布置为 8 0 m+ 1 4 5 m+ 8 0 m。主梁断面为单箱单室箱形截面 ， 主 墩为 5 、 6号墩 ， 墩身采用双肢矩形空心墩， 顺水流布 置 ， 主桥墩轴线与桥梁 中心线成 6 5 。 夹角， 肢间中心 间距 1 3 7 9 2 c m。其中， 5号墩高 6 1 m， 在墩底往上 2 0 m处设 置 变 截 面段 ， 横 向 放坡 1 6： 1 ， 纵 向放 坡 8 0： 1 ， 2 0 m 以上部分 为等截面。两个空心墩壁厚 1 2 5 e n l ， 见图 2 。 0 6 I 1 0 l T I J L J L e r _ ( 二 ：7- 1 e 【 J 一 1 _ 一 J L I 6 ： i 0 I l I J 8 o 1 图 2 斜 交高墩构 造图 Fi g u r e 2 Hi g h s k e w p i e r s t r u c t u r e 斜 交薄 壁结 构分 析最 常 用 的数值 法 是梁 格法 、 板壳单元法和块体单元法 ， 国内外研究现状表明 ， 基 于梁格理论的梁格空间分析方法比较适合斜交箱梁 桥设计与施工过程中的整体计算分析工作 ， 可在实 际设计与施工过程中具体应用 。 。 盖梁是桥梁结构中重要的受力部件 ， 起着连接 上下部结构的重要作用。它一方面承受着上部构造 的恒载以及主梁传递给它的活载效应 ， 另一方面将 这些荷载传递给桥墩和基础 。由于桥梁的跨径 、 桥宽、 斜度、 桥墩间距、 荷载标准、 布载方式的不 同， 盖梁的配筋很难套用标准 图和通用图， 需建模进行 内力计算。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 陈建平 ， 等 ： 酉水大桥大跨度预应力混凝土连续梁桥斜交高墩盖梁受力特征分析 5 7 我国现行 公路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥 涵设计规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 第 8 2 1条规定 ： 墩 台盖梁与柱应按刚构计算。当盖梁与柱的线刚度 ( E N) 之 比大于 5时， 双柱式墩 台盖梁可按简支梁计 算 ， 多柱式墩台盖梁可按连续梁计算。以上 E、 ， 、 分别为盖梁或柱混凝土的弹性模量 、 毛截面惯性矩、 梁计算跨径或柱的设计长度。但对于酉水大桥斜交 高墩盖梁这种特殊结构 ， 宜采用三维实体元建立模 型进 行数 值分 析 。 2 酉水大桥支座反 力计算 2 1工程参数 上部结构材料特性。 C 5 5混 凝 土 ， 弹性 模 量 E=3 5 51 0 MP a ， 钢 筋 混凝 土容重 为 2 6 k N m 。 计算荷载。 一 期 恒 载 ： 箱 梁 自 重 ， 钢 筋 混 凝 土 容 重 为 2 6 k N m 。 二 期恒 载 ： 1 0 c m 厚 ( 4 c m +6 c m 双 层 式 ) 沥 青 混凝土桥面铺装 ， 沥青砼容重 2 4 k N m 。栏杆取 l 5 k Nm 。 汽车荷载 ： 结构 进行整体计算 时， 采用 车道荷 载 ， 公路 一 I级 。 汽车荷载 冲击力 ： 其标准等于汽车荷载标准值 乘 以冲击 系数 。 汽车荷载制动力 ： 根据公路桥涵设计通用规范 ， 制动力荷载标准值 T=21 0 车道荷 载标准值 在 加载 长度 上 的总重 力 。 温度荷 载 ： 根 据公 路桥 涵设计 通 用规 范规定 ， 进 行 温度 作用 下桥 梁 结构 效 应 计 算 时 ， 竖 向 温 度梯 度 根据图 3所示 的曲线采用。当铺装层为 1 0 c m的沥 青混凝 土铺 装层 时 ， 桥 面 板表 面 最高 温 度 1为 1 4 ， 为 5 5 o C； 竖向 日照反温差为正温差乘 以 一0 5 。 l 4 图 3竖 向 梯 度 温 度 ( 单位 ： mm) F i g u r e 3 V e r t i c a l t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ( u n i t ： mm) 不均匀沉降 ： 每个墩沉降 5 mm作为一种工况， Mi d a s C i v i l 有限元程序进行 自动组合得出最不利的 不均匀沉降组合。 2 2箱梁 空间计 算模 型 基于梁 格法 ， 运用 大型通 用有 限元 分析 软件 MI D A S ， 对酉水大桥连续箱梁进行空间分析 ， 其计算 模 型和 边界 条件 如 图 4所示 。 图 4箱梁空间梁格模型 Fi g u r e 4 Bo x g i r d e r s p a c e g r i l l a g e mo de 1 支座布置与支座节点号如图 5所示。 2 3箱 梁支座反 力 针对 5号主桥墩进行计算分析， 得出 5号桥墩 单 项荷 载作 用下 支座 反力情 况见 表 1 。 I 4 -1 I 5 -1 I 6 1 I 7 -1 r 2 rr 2 I I NI 0 0 0 5 2 L6 2 L 图 5支 座 布 置 示 意 图 Fi g ur e 5 Be a r i ng a r r a ng e me n t di a g r a m 表 1 单项荷载作 用下支座 反力情况 表 Ta b l e 1 Be a r i n g r e a c t i o n c o n d i t i o ns un d e r s i ng l e l o a d s c h e me k N 注： 表 1中支座反力为支座竖向反力 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 公路工程 3 8卷 将表中支座反力按规范进行组合 ， 得 出长期与 短期的组合值见表 2 。 表 2 支座反力组合值 Ta b l e 2 Be a r i n g r e a c t i o n c o mbi n a t i o n v a l ue s s c he me k N 注 ： 表 2中支座反力组合值为竖向反力组合值。 3 斜 交矩形空心薄壁高墩盖梁有限元分析 桥 墩在 每肢 墩 身 顶部 设 有 盖梁 ， 形 式 为正 八棱 柱 ， 厚度 均为 3 n l 。见 图 6 。 、 、1 、 图 6桥墩盖梁结构 示意图 F i g u r e 6 Pi e r c a p pi ng b e a m s t r u c t u r e di a g r a m 在现行的 公路钢筋混凝土预应力混凝土设计 规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 给出的盖梁计算方法不适 用于该类型盖梁计算 。下面将借助大型通用有限元 分析软件 A N S Y S ， 基于子结构理论 ， 对酉水大桥 盖梁进行有限元分析， 从而了解其应力分布特征 ， 并 指导配 筋 。 3 1 运 用 A N S Y S进行 有 限元分析 的步 骤 选用 s o l i d 6 5单元进行有限元计算 ， 静力问题基 本物理量单位设置： 长度 mm， 力 mN， 质量 k g 。单元 描述 如下 ： S O L I D 6 5单元用于含钢筋或不含钢筋 的三维实 体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在 混凝土应用方面 ， 如用单元 的实体性能来模拟混凝 土 ， 而用加筋性能来模拟钢筋的作用。该单元具有 八个节点 ， 每个节点有三个 自由度， 即 ， Y ， 三个方 向的线位移 ， 可对三个方 向的含筋情况进行定义。 单元几何模型如图7所示。 盖梁划分几何单位后 ， 将支座反力按均布荷载 添加到支座垫石面积范围内， 桥墩最大支座反力组 合值在上节 中已经给 出。桥墩墩身 钢筋 伸人盖梁 内， 可将盖梁与桥墩视为刚性连接， 因此在盖梁与墩 图 7 s o l i d 6 5单元几何模 型 Fi g u r e 7 S o l i d 65 e l e me n t mo de l 身的接触面上所有节点处添加 固定约束 ， 并计入盖 梁 自重， 添加荷载与边界条件后 的模型盖梁模型如 图 8所 示 。 图 8 加载后墩 盖梁 有限元模型 Fi g u r e 8 Pi e r ca p pi n g be a m f i n i t e e l e me n t mo d e l wi t h l o a d s 3 2盖 梁线性静 力分析 结果 与分析 对 盖 梁进 行 线性 静 力分 析 ， 得 到结 构应 力 云 图 ( 、 Y轴方向如图 6坐标轴所示， 轴方 向为桥墩竖 向) 如图 9所 示 。 由上图可以看出斜交桥正八边形盖梁大部分区 域处 于受 压状态 ， 最 小 压应 力 为 一6 0 4 8 MP a ， 产 生 于支座垫石与盖梁接触面中心处 ， 压应力 以垫石为 中心向 四周 逐渐 变大 ； 盖梁 在两 个 支 座 垫石 之 间 的 局部 区 域 内存 在 拉 应 力 ， 拉 应 力 最 大 值 为 2 0 1 4 MP a ， 产生于盖梁中心上表面处。由 公路混凝土及 预应力混凝土桥涵设计规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 表 3 1 4可知： C 4 0混凝土轴心抗压强度设计值 = 1 8 4 MP a ， 轴心抗拉强度设计值 =1 6 5 MP a 。可 见盖梁的局部拉应力 已经超过混凝土抗拉强度设计 值 。在设计时， 对该 区域的钢筋配置应该进行特殊 处理 ， 主拉应力方向为两支座中心连线方向， 建议在 此方向适当增加普通钢筋配置。 h I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m