钢筋混凝土连续刚构桥零号块力学特性研究

刘耀东，曹红焱，余天庆

钢筋混凝土连续刚构桥零号块力学特性研究

刘耀东，曹红焱，余天庆

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430068）

钢筋混凝土连续刚构桥0＃块是桥梁下部结构与上部结构之间重要的连接部件，0＃块受力复杂，施工难度大。对0＃块施工过程中的力学特性进行研究能确保上部结构施工安全及线形准确。采用Midas有限元程序对0＃号块进行空间模拟仿真分析是了解结构整体力学特性和局部受力特征的重要手段。

连续刚构；0＃块；有限元仿真分析；力学特性

钢筋混凝土连续刚构桥0＃块在上部结构施工过程中受力复杂多变，是保证全桥结构稳定及施工安全的关键部位。本文以某大桥辅航道桥为例，通过有限元软件Midas对0＃块整体和局部的受力情况进行分析探讨。确定出应力分布不利位置，得出应力计算值，为桥梁的施工提供理论依据。

1 工程简介

某大桥辅助通航桥为70m＋70m连续刚构体系，上部结构箱梁采用三向预应力。0＃块梁长12 m，顶板宽20.9m，中心位置梁高6m，梁底为2次抛物线。0＃块底板墩身范围内4m为直线段，左右对称方向为变宽段。墩身横桥向宽于箱梁底板，两端延伸至箱梁腹板位置。具体结构见图1。

2 有限元模型的建立

0＃块在纵桥向基于支座中心线对称，采用有限元Midas／Civil软件，不考虑平弯和纵坡进行部分简化，建立0＃块整体模型。根据圣维南原理，在计算模型边界处和0＃块端面设置一段60cm的过渡区域，将模型中0＃块边界处实际受力等效代换成端面均布受力，远离0＃块区域的应力状态对0＃块的应力分布影响极小不予考虑，所以研究结果以0＃块计算结果为准。施工过程中，0＃块和1＃块作为一个整体同时对称浇筑成型，故将0＃块和1＃块区域的1／2模型作为有限元建模对象，运用有限元软件Midas／FEA考虑箱梁2%的横坡影响，结合结构的对称性原理，建立横桥方向剖面区域模型。

图1 0＃块结构图

2.1 Midas／Civil的模型的建立

Midas／Civil中的杆系单元具有建模迅速、计算准确的特点，0＃块所在的主梁模型总共运用了49个杆系梁单元模拟，主梁杆系单元的截面可以通过程序内置的设计截面中箱梁截面特性功能进行设计，通过在程序中输入顶板、底板和腹板相应的各项尺寸参数即可，对于主梁单元沿纵向函数变化的截面位置采用变截面组分割单元，桥墩采用一般支撑模拟，桥墩和桥梁上部结构采用刚性连接模拟，边跨现浇部分铰支座只承受压应力，故模拟采用一般支撑。Midas／Civil主梁杆系单元模型见图2。

图2 0＃块整体模型

2.2 Midas／FEA模型的建立

Midas／FEA可以实现结构细部的非线性有限元分析。以0＃块区域的横隔板和墩梁固结处、腹板和底板的连接区域，横隔板与底板连接的倒角处作为研究对象［2］，建模过程中考虑预应力张拉的控制及预应力松弛和摩阻的损失［3］。采用钢筋单元模拟预应力钢束和普通钢筋，实体单元模拟混凝土，桥梁的纵向结构采用梁单元来模拟，模拟结果见图3。

图3 0＃块局部模型

3 0＃块整体受力分析

有限元计算表明，0＃块在最不利荷载组合（自重＋温度荷载＋基础沉降＋挂篮荷载）作用下，顺桥向正应力见图4。可以看出，0＃块整体呈现受压状态，桥墩与底板下缘的连接处承受压应力最大的地方为9.6MPa，其它区域的压应力均在1.1～9.6 MPa之间，.截面位移Dx＝2.258mm，Dz＝19.021 mm，Ry＝－0.0007rad，受力情况Fx＝303 562.1 kN，Fz＝－20 257.8kN，My＝9689.26kN·m，均满足设计和规范要求。

可以看出，Midas／Civil的分析仅限于结构整体受力情况，对类似箱梁底板与横隔板连接的倒角处等一些细部区域的分析则必须借助Midas／FEA。

图4 整体应力云图

4 0＃块的局部受力分析

Midas／FEA对零号块进行局部受力分析，主要是分析研究零号块横隔板和墩梁固结处，横隔板与底板连接的倒角处，腹板和底板连接区域的受力情况。不考虑桥墩的受力变化情况，用铰接约束代替了桥墩的作用。Civil模型中移动荷载追踪器追踪到最不利加载位置，0＃块底部与墩底处，出现最大弯矩（表1）。

表1 墩顶处主梁局部模型边界条件最大负弯矩

从整体模型中提取最不利加载位置处内力，依据圣维南原理，在0＃块端截面节点施加等效荷载，考虑单元坐标系与整体坐标系存在夹角，把荷载值由单元坐标系等效换算成整体坐标系，对应以下三种荷载工况考虑。

施工阶段的荷载组合。

工况一：施工阶段的最不利弯矩效应组合内力值；

工况二：施工阶段最不利剪力效应组合内力值，正应力荷载组合；

工况三：考虑0.8倍的预应力效应折减系数后，使用阶段最不利弯矩效应组合内力值。

作用荷载取值均在设计与规范的允许范围之内（表2）。

表2 荷载取值

本文仅给出施工阶段最不利剪应力组合内力值，纵向剖切面图能较清晰的显示内部应力分布情况（图5）。

图5 施工阶段局部应力云图

从图5中可以看出，0＃块顶板表面处均处于受压状态，最大主压应力12.45MPa，其分布情况与最小主应力分布情况基本一致。在三向正应力中，纵向应力为主要应力。0＃块绝大部分的剪应力在1.50～－3.28MPa之间，在荷载作用下，0＃块变形不大，均在设计和规范范围之内。

横隔板最大主拉应力0.375MPa，最大主压应力0.571MPa横隔板处应力变化不大，分布均匀，竖向应力较小。对结构影响不大。横隔板与腹板上方的顶板出现压应力。其最大拉应力位置与横向正应力数值表现一致，说明横向正应力是影响最大主应力的主要因素。底板最大主拉应力0.34MPa，最大主压应力7.70MPa，横隔板与底板连接的倒角处有局部应力集中现象，集中区域较小，最大应力值不大于－7.8MPa，不影响横隔板和底板的使用功能，横隔板和墩部呈现低应力区域，对0＃块结构的影响可以忽略不计。

纵桥向，腹板处于受压状态，纵向应力与混凝土板纵向应力分布相同，腹板与底板连接处，腹板最大主拉应力0.24MPa，最大主压应力11.43MPa。在设计和国家规范要求范围之内。

5 结论及建议

钢筋混凝土连续刚构桥0＃块采用有限元软件Midas／Civil和Midas／FEA进行仿真的结果表明，0＃块在最大悬臂状态下整体受压，局部出现不超过0.571MPa的拉应力。支座边缘处有应力集中现象，横隔板内侧、底板底面以及腹板内侧面交接处局部有横向拉应力出现。压应力基本上都处于混凝土的抗压强度设计值范围内，并有足够的压应力储备。采用Midas两种不同软件分析不仅可以考虑0＃块在不同荷载工况下，整体受力和局部受力情况，还可以准确地模拟计算施工阶段的荷载对结构局部变形的影响。通过对0＃块进行空间分析，得到了应力分布规律，并针对薄弱区域提供以下解决措施。

1）应在顶板拉应力较大区域和顶板横桥方向布置横向预应力。

2）横隔板施工过程中，防止横隔板局部区域应力过大而产生裂纹，横隔板阴角处可设置钢板或者钢筋网片等整改措施，

3）横隔板与底板倒角外侧区域通过加密加粗普通钢筋来承担高压状态混凝土过大的主应力。

［1］ 宁舟，李传习，欧见人.变截面预应力混凝土连续箱梁桥0＃块空间应力分析［J］.交通公路技术，2013，2（1）：43－45.

［2］ 魏俊.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥0＃块空间应力状态分析研究［D］.长沙：中南大学，2009.

［3］ 王子强.矮塔斜拉桥0＃空间应力测试与分析［D］.哈尔滨：东北林业大学，2014.

［4］ 吴用贤.某大跨PC连续梁桥零号块实体分析［J］山西建筑，2010，12（36）：329－330.

［5］ 张晓雷.龙华松花江特大桥0＃块空间应力分析［D］.哈尔滨：东北林业大学，2011.

The Stress Analysis of Block Zero of Continuous Rigid Frame Bridge Concrete

LIU Yaodong，CAO Hongyan，YU Tianqing
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Reinforced concrete continuous rigid frame 0＃block is an important connection between the components of bridge substructure and superstructure.0＃block is forced complex and difficult in construction.The mechanical properties of 0＃block of the construction process are studied to ensure the safety and superstructure construction linear and accurate.Using finite element program midas is important means of spatial simulation analysis that is to understand the whole structure and mechanical properties of the local force characteristics of the 0＃block.

continuous rigid；zero block；finite element analysis；mechanical properties

U44

A

［责任编校：张岩芳］

1003－4684（2017）04－0111－04

2016－04－19

刘耀东（1969－），男，山东滕州人，湖北工业大学教授，研究方向为桥梁工程