石板坡长江大桥钢混结合段局部应力分析

第24卷　第8期
2007年8月
公　路　交　通　科　技
Journal of Highway and T ransportation Research and Development
V ol 124　N o 18
Aug 12007
文章编号:1002Ο0268(2007)08Ο0099Ο04
收稿日期:2006Ο02Ο27
作者简介:王军文(1971-),男,山西天镇人,工学博士,副教授,研究方向为桥梁计算理论及桥梁抗震1(wjunwen2901@1631com )
石板坡长江大桥钢混结合段局部应力分析
王军文1
,倪章军2
,李建中3
,孙峻岭
4
(11石家庄铁道学院　土木工程分院,河北　石家庄　050043;21广州市建委,广东　广州　510000;
31同济大学　桥梁工程系,上海　200092;41重庆林同
国际公司,重庆　400010)
摘要:结合石板坡长江大桥的设计及施工特点,运用大型有限元软件ANSY S 建立了石板坡大桥钢混结合段结构分析的空间有限元模型,钢箱梁用shell63壳单元模拟,混凝土箱梁用s olid95实体单元模拟,预应力钢绞线用link8单元模拟,并采用约束方程模拟预应力筋和混凝土间的粘结作用。

根据运营过程中的最不利荷载工况,分析了钢混结合段在
4种工况下的应力状态,检验了设计的安全性与合理性。

结果表明,除钢箱梁锚垫板下预应力管道支承钢板以及与混
凝土箱梁结合面折角处存在应力集中现象、部分拉应力超出混凝土的抗拉强度外,结构总体受力合理,内部应力满足设计要求;鉴于钢混结合段的构造与受力都很复杂,建议在此部分的混凝土箱梁采用钢纤维混凝土作为加强措施。

关键词:桥梁工程;钢混结合段;有限元;局部应力;连续刚构中图分类号:U441+15;T U44812 文献标识码:A
Analysis on Local Stre ss of Steel Οconcrete Beam Linked Part of Shibanpo Bridge
W ANGJun Οwen 1
,NI Zhang Οjun 2
,LI Jian Οzhong 3
,S UN Jun Οling
4
(11School of Civil Engineering ,Shijiazhuang Railway Institute ,Hebei Shijiazhuang 050043,China ;
21G uangzhou C onstruction C ommittee ,G uangdong G uangzhou 510000,China ;31Department of Bridge Engineering ,T ongji University ,Shanghai 200092,China ;
41T 1Y 1Lin International of Chongqing ,Chongqing 400010,China )
Abstract :According to particularity of the bridge in design and construction ,the finite element s pace m odel of steel Οconcrete beam linked part is built ,in which steel b ox girder ,concrete b ox girder and prestressed tend on are simulated with shell63,s olid95and link8element res pectively,tension is loaded by falling tem perature ,and b ond action between prestressed tend on and concrete is simulated with restriction equation 1T he local stress of steel Οconcrete beam linked part is analyzed according to four load cases 1T he safety and reas onable design is verified and the measure for meliorating stress of steel Οconcrete beam linked part is proposed 1T he results indicate that the forced per formance of structure is reas onable and stresses meet all the requirements of design except the stress concentration occurs at supported steel plate of tend on pipe under anch ored padding plate in steel b ox and at corner of linked plane of steel b ox and concrete b ox and tensile stress at a few station is bey ond tensile strength of concrete 1As the structure and stress of steel Οconcrete beam linked part are very com plex ,concrete b ox girder in steel Οconcrete beam linked part using steel fibre concrete is proposed to im prove per formance of structure 1K ey words :bridge engineering ;steel Οconcrete beam linked part ;finite element ;local stress ;continuous rigid frame
0　概述
重庆石板坡长江大桥跨径组成为(8615+4×138+330+13215)m ,见图1。

桥梁结构采用连续梁与连续刚构混合连续体系。

其中①、②墩为墩梁分离(简单支承),③、④、⑤、⑦墩为墩梁固结。

桥梁主跨(⑤、⑦墩间)采用钢Ο预应力混凝土形式,即中部108m 采用钢箱
梁,以便减轻自重,改善结构受力,缩短建设工期。

该跨
其余部分以及其他跨采用三向预应力混凝土箱梁。

主结构墩(⑤、⑦墩)采用钢筋混凝土双薄壁墩,次结构墩(①～④墩)采用钢筋混凝土空心墩。

石板坡大桥钢混结合段的结构构造如图2所示,由于钢混结合段的结构构造和受力都非常复杂,设计时如果处理不当,在运营过程中极容易造成混凝土开裂。

因此,为全面、真实地
掌握石板坡大桥钢混结合段的三维应力状态,验证设计的安全性与合理性,笔者运用大型通用有限元软件AN 2SY S ,对石板坡长江大桥钢混结合段的局部应力进行了仿真计算,提出了改善钢混结合段应力的措施及方法,
为设计和施工提供了科学的依据。

图1　石板坡长江大桥桥型布置(单位:cm )
Fig 11　G lobal structure of Shibanpo river bridge (unit :cm
)
图2
　石板坡大桥钢混结合段构造(单位:mm )
Fig 12　Details of steel Οconcrete linked part for Shibanpo bridge (unit :mm )
1　空间有限元计算111　计算模型
运用大型有限元软件ANSY S 进行建模,其中钢箱梁用shell63壳单元模拟,混凝土箱梁用s olid95实体单元模拟,预应力钢绞线用link8单元模拟[1～4]。

预应力采用降温法施加,采用约束方程模拟预应力筋
和混凝土间的粘结作用
[5～7]。

严格按照实际尺寸建
模,z 轴沿桥梁轴向,y 轴竖直向上,x 轴沿横桥向,简化后的钢混结合段计算模型如图3所示,图3中模型总长20m ,其中混凝土箱梁长1315m ,钢箱梁长4m ,二者结合部分215m 。

计算模型中单元总数共计147918个,其中混凝土箱梁74976个实体单元,预
应力钢绞线5630个单元,钢箱梁67312个壳单元。

112　计算假定及荷载处理
(1)将钢与混凝土都视为均质弹性体,以弹性模
量与泊松比表示结构的材料特性。

(2)荷载取自按空间杆系结构分析的结果[8]。

113　荷载工况
按照《城市桥梁设计准则》的相关规定进行荷载
组合。

运营初期状态的荷载组合(组合1)为:恒载+城-A +人群+混凝土收缩影响力+温度影响;运
营后期状态荷载组合(组合2)
是在运营初期状态荷
图3　钢混结合段计算模型
Fig 13　C om puter m odel of steel Οconcrete linked part
载组合的基础上考虑混凝土徐变的影响,收缩徐变计
算到成桥后10年[9,10]。

根据石板坡大桥的施工过程
及成桥状态计算[8]
,钢混结合段的空间有限元分析共考虑4种工况,具体数值见表1。

表1　荷载工况
T ab 11　Load cases
工况
荷载组合弯矩M
Π(kN ・m )轴力N ΠkN
剪力Q ΠkN
扭矩T
Π(kN ・m )1组合1(max )
26829-3044615-4743156211142组合1(m in )-36947-47852-10446-51863组合2(max )59045-2739815
-481119
6211144
组合2(m in )
-445714
-4480319-1051412
-5186
注:轴力拉为正,剪力逆时针为正,弯矩下侧受拉为正,扭矩绕z 轴正方向为正。

01 公　路　交　通　科　技 第24卷
114　边界条件
在计算模型中将混凝土箱梁一侧断面固结,钢箱梁一侧断面假定为平截面变形,以刚性域的方法形成,并在此断面中性轴处施加表1所示的荷载。

结合段钢箱梁内剪力板与混凝土主从约束。

2　计算结果及分析
主要计算结果详见图4～图11,其中图4～图7为钢箱梁的应力分布云图,图8～图11为混凝土箱梁的应力分布云图,图4～图11中应力单位为MPa ,以拉应力为正,压应力为负,应力云图中MN
标识处
为最小应力处,MX 标识处为最大应力处。

211　钢箱梁应力分布
从图4～图7可以看出,x 轴方向正应力最大值发生在工况2MX 标识处,为161135MPa (图4),z 轴方向正应力最小值发生在工况3锚垫板下预应力管道支承钢板处(图5中MN 标识处),达到-262179MPa 。

主拉应力最大值发生在工况2MX 标识处,为161139MPa (
图6)。

主压应力最小值发生在工况3钢
箱梁底板锚垫板下预应力管道支承钢板处(图7中MN 标识处),为-325105MPa 。

图4　工况2的x 方向应力云图 图5　工况3的z 方向应力云图 图6　工况2主拉应力云图
Fig 14　S tress nephogram in x Fig 15　S tress nephogram in z
Fig 16　Principal tension stress direction under case 2 direction under case 3 nephogram under case 2
图7　工况3主压应力云图
Fig 17　Principal com pression stress nephogram under case 3
总的来说,钢箱梁绝大部分应力值都在规范允许
值(-200～200MPa )以内,有少数应力超过此范围的点都处于锚垫板下预应力管道支承钢板处,而且高应力区域面积较小,整体上对结构的使用影响不大。

为改善结构的受力状况,建议加厚预应力管道支承钢板厚度。

212　混凝土箱梁应力分布
由图8～图11的应力云图可知,y 轴正应力最大值发生在工况4混凝土箱梁结合面底板折角处(图8中MX 标识处),达到221702MPa ;z 轴正应力最小值发生在工况2混凝土箱梁结合面底板折角处(图9中
图8　工况4的y 方向应力云图 图9　工况2的z 方向应力云图 图10　工况1主拉应力云图
Fig 18　S tress nephogram in y Fig 19　S tress nephogram in z Fig 110　Principal tension stress
direction under case 4 direction under case 2 nephogram under case 1
MN 标识处),为-521236MPa ;主拉应力最大值发生
在工况1混凝土箱梁结合面底板内折角处(图10中MX 标识处),为35136MPa ;主压应力最小值发生在工况2混凝土箱梁结合面底板内折角处(图11中MN
1
01第8期 王军文,等:石板坡长江大桥钢混结合段局部应力分析
图11　工况2主压应力云图
Fig111　Principal com pression stress nephogram under case2
标识处),达到-58187MPa。

总的来说,混凝土箱梁绝大部分应力值都在-25～3MPa之间,有少数应力超过规范允许值的点都处于混凝土箱梁结合面底板、顶板折角处或翼缘处,而且高应力区域面积较小,整体上对结构使用影响不大,但仍建议在此段混凝土中掺入适量抗拉纤维,并注意构造处理,防止混凝土的开裂,改善结构的受力状况。

3　结语
(1)在钢混结合段内,结构总体受力合理,除钢箱梁锚垫板下预应力管道支承钢板以及与混凝土箱梁结合面折角处存在应力集中现象、部分拉应力超出混凝土的抗拉强度外,结构内部应力满足设计要求。

(2)对钢箱梁内预应力引起的局部应力现象,建议加厚钢箱梁内预应力管道支承钢板的厚度,降低应力集中程度,提高结构的使用性能。

(3)鉴于此类桥梁的钢混结合段构造受力都很复杂,建议在此部分的混凝土箱梁采用钢纤维混凝土作为加强措施。

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