桥梁工程评职范钢构桥的空间数值分析

　　摘要：近年来，由于桥梁事业的发展，桥梁仿真计算向可视化、综合化方向发展。同时计算内容也进入了三维空间应力计算阶段。本文运用ANSYS软件对一个三跨预应力连续刚构进行了空间数值分析，将结果与平面结果进行对比，经分析，平面分析结果偏安全，空间分析结果更加精确。

　　关键词：空间数值分析,ANSYS,连续刚构

　　1 引言

　　近年来，由于桥梁事业的发展，图形化操作系统的出现，强大的硬件平台的支持，桥梁仿真计算向可视化、综合化方向发展。目前国内桥梁施工仿真所使用的软件主要有桥梁博士(Dr. Bridge)、MIDAS/Civil和GQJS等。

　　采用平面杆系程序计算时，不能考虑活载偏载作用梁体产生的扭转剪应力及箱梁横向应力，也不能考虑剪滞效应，这些因素均有可能导致梁体产生裂缝。

　　实体模型能够比较真实的反映实际结构，能够考虑结构的整体受力效应，得到的结果更为精确，而且实体模型在建模时己经考虑了细部结构，可以直接进行细部受力状态分析，这就保证了模型的可靠性。因此，条件成熟的话，建立空间实体模型进行结构行为分析无疑是分析大跨径P.C箱梁桥之类受力复杂的大型桥梁的首选方式。

　　2 实例简介

　　某大桥主桥为130m+230m+130m的三跨预应力连续刚构，设计荷载为汽-超20级，挂-120级。

　　箱梁0号梁段长15m(包括桥墩两侧各外伸1.5m)，每个“T”构纵桥向划分为30个对称梁段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为10*3m，7*3.5m，13*4m，累计悬臂总长108m。1号～30号梁段采用挂篮悬臂浇筑施工，悬臂浇筑梁段重大控制重量2450KN，挂篮设计自重1300KN。全桥两幅合计共6个合拢段，分别是4个边跨合拢段和2个中跨合拢段，合拢段长度均为2m，每边跨现浇段长14m。

　　每幅采用单箱单室截面，横向两幅，桥面全宽24.50m，单幅箱梁顶宽11.90m，底宽7.00m，外翼板悬臂长度2.45m，箱梁顶面做成2%的向外侧的单向横坡。箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高4.00m(箱梁高均以腹板外侧为准)，桥墩与箱梁相接的根部断面及墩顶0号梁段高为13.00m。从中跨跨中至箱梁根部，箱高按半立方抛物线变化，如图1、图2所示。箱梁腹板在墩顶范围内厚120cm，箱梁根部至10号梁段腹板厚70cm，从11号梁段至20号梁段腹板厚60 cm，从21号梁段至30号梁段腹板厚50 cm，腹板厚度变化处设100 cm渐变过渡段。箱底板厚从箱梁根部截面的130 cm渐变至跨中及边跨支点截面的32 cm厚，按直线变化。

　　每幅主桥共11道横隔板，分别在两主墩墩顶各设两道2.5m厚的横隔板，边跨梁端各设一道1.2m厚横隔板，在中、边跨合拢段及中跨25号梁段各设一道30cm厚的横隔板。主墩采用双薄壁结构，11号墩高达43m，12号墩高22m。

　　主桥箱梁为三向预应力结构。主桥箱梁纵向预应力和箱梁顶板横向预应力束均采用 高强度低松弛预应力钢丝线，ASTMA416-90a270级标准，标准强度 ， ，加载至规定负荷的80%时，松弛损失不大于3.5%;张拉控制力 。主桥箱梁部分竖向预力筋采用40Si2MmMoV精轧螺纹粗钢筋，极限强度大于1200MPa，名义屈服强度大于950 MPa，设计张拉力为407KN。

　　每幅桥每个“T”构悬臂浇筑钢束110束，其中肋束40束，顶板束70束，此外还有预备束4束。中跨连续钢束38束，其中底板束36束，顶板束2束;边跨连续钢束24束，其中底板束20束，顶板束4束。肋束及中跨顶板连续束每束的规格为22 ;顶板束及边跨顶板连续束每一束的规格为24 ;中跨底板束每一束的规格为19 ;边跨底板束每一束的规格为14 。箱梁腹板上设有竖向预应力钢筋，其中0～20号梁段采用2 钢铰线;21～31号及31’号采用直径为25mm精轧螺纹粗钢筋，用穿心式千斤顶张拉。箱梁顶板上设有横向预应力钢束，规格为2 。

　　3 空间模型建立与计算

　　选用ANSYS单元库中的SOLID45和LINK8分别模拟混凝土单元和预应力钢筋单元，按照自底向上的方式在ANSYS的前处理模块(/PREP7)中建立三维实体有限元模型。

　　3.1 几何建模

　　根据设计图纸，编辑命令流文件导入ANSYS，建立全桥混凝土实体模型。该主桥实体模型见图3。

　　3.2 网格划分

　　以扫掠划分为主，辅以自由划分，对实体模型进行网格划分，得到混凝土模型的有限元计算模型。

　　3.3 建立预应力钢筋单元

　　依据设计图纸，采用APDL编程，通过连接混凝土单元上相应节点，依次生成纵向、横向及竖向预应力钢筋单元，从而得到完整的有限元模型。

　　3.4 工程参数

　　主梁采用55号混凝土，桥墩采用40号混凝土;主桥箱梁纵向预应力束和箱梁顶板横向预应力束以及0～20号梁段竖向预应力钢筋均采用 15.24高强低松弛预应力钢绞线，其余梁段竖向钢筋采用25mm精轧螺纹钢筋。分析中基本参数取值如表1所示：

　　3.5 施工工况

　　施工仿真分析中必须充分考虑实际施工的操作程序，该主桥施工过程大致如下：

　　下部结构施工，现浇墩顶0#梁段。→

　　拼装双悬臂挂篮，对称浇筑1#梁段;张拉预应力束。→

　　接长双悬臂挂篮，对称浇筑2#梁段;张拉预应力束。→

　　拆拼成两个挂篮，对称浇筑3#梁段;张拉预应力束。→

　　移动挂篮，对称浇筑4#梁段;张拉预应力束，重复该条所述各步直至30#梁段施工完毕。→

　　安置端支座，在落地支架上立模现浇边跨现浇段及边跨合拢段;张拉边跨连续钢束及张拉竖向预应力钢筋，分批张拉底板束。→

　　浇筑中跨合拢段;张拉对应的连续钢束，分批张拉底板束。→

　　铺设桥面系等二期恒载。→结束

　　4 结果分析

　　以下是部分典型工况在不计预应力各项损失的理想设计状态下的计算结果，各工况分别是：time10――1/4悬臂长度时，time18――1/2悬臂长度时，time31――最大悬臂长度时，time33――边跨合龙后，time35――中跨合龙后，time36――二期恒载作用后。现提取以上各工况下施工监控中关心的几个截面位置的位移与应力计算结果，并与平面计算结果比较，具体分析如下。

　　4.1 位移

　　其中位移结果的分析比较如表2和表3所示。

　　由表2可见，对于施工过程中边中跨出现的最大挠度，空间分析(ANSYS)算得结果较平面分析(MIDAS)的最大相差约为-2.031cm，出现在成桥时中跨内;最小相差为-0.30cm，出现在最大悬臂时的中跨内，除此两项极值不计时平均相差为18.7%。表2表明两种分析结果最为接近时，空间分析的较平面分析的仅相差0.035cm(-1%)。

　　表3给出的是5个工况下，两种分析所得出的高墩中跨侧悬臂端位移结果的比较情况。排除表内的极大和极小偏差后，空间分析较平面分析平均相差-23.3%，最大相差-0.88cm，出现在二期恒载作用时;最小偏差为-0.02cm。

　　4.2 应力

　　高墩中跨侧悬臂根部断面及高墩墩底的应力计算结果对比分析详见表4～表5所示。

　　B、表中1#和10#截面顶、底板应力均取自于高墩中跨侧;ANSYS给出的相应截面处的应力均值;

　　表4～5所示的是在与上述位移比较时相同的5个工况下，两种分析所得出的施工过程中中跨悬臂根部1号截面、中跨10截面的应力比较情况。悬臂根部受力较为复杂，相比10号截面而言，两种分析所给出的结果出入较大：1#截面顶板应力，空间分析结果较平面分析的平均相差-22.5%，10#位置仅相差-8.2%，在底板，前者平均相差-25.6%，后者则平均相差-7.3%。

　　综观表2～5可见，对于桥跨内绝大多数截面而言，平面分析(MIDAS)算得结果是偏于安全的。

　　5 结论

　　本文利用ANSYS软件建立了桥梁的三维数值模型，成功模拟了其施工过程，并将其与平面分析模型进行比较，对于桥跨内绝大多数截面而言，平面分析算得结果是偏于安全的。但实体模型能够比较真实的反映实际结构，能够考虑结构的整体受力效应，得到的结果更为精确。

　　利用大型通用有限元软件，建立充分考虑三向预应力筋的实体模型，完成桥梁施工空间仿真分析，这无疑将填补桥梁施工仿真分析上的一大空白，为进一步充分认识大跨径连续梁式桥的空间力学行为开辟了全新的空间。

　　参考文献

　　[1] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2009：15-20.

　　[2] 范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001：240-243

　　[3] 中华人民共和国行业标准.公路桥涵设计通用规范(JTG D60—2004).北京:人民交通出版社,2004

　　[4] 中华人民共和国行业标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62—2004).北京:人民交通出版社,2004