简支梁桥桥面连续构造的空间仿真分析

未能对砼 的开 裂作 出判断 ， 其 结果 显然与实际不符 ， 说 明线性分析存 在着不合理性 ． ３ ． ２ 非 线 性 分 析 结 果
所谓 的非线性 分析 就是在考虑材 料 的应力 随应 变变化 的基础上 ， 对材 料性 能 的模 拟 不仅 要设 置砼 的弹性模量 Ｅ， 而且还 要输 入砼 相应 的 张开裂缝 的
简 支 梁 桥 桥 面 连 续 构 造 的 空 间仿 真 分 析
何 畅 ， 向 中富２
（ １ ． 中交 公路规划 设计 院 ， 北京 １ ０ ０ ０ １ ０ ； ２ ． 重 庆交通 学 院土木建筑 学院 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ７ ４ ） 摘要： 简支梁桥桥 面连续构 造的早 期损坏 ， 是 由设 计和 施工 中诸 多不 合 理 因素 引起 的 ． 笔 者根 据有 限 元理 论 ， 借 助 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 工作平 台 ， 对简支 梁桥桥面 连续构 造在 沥青砼铺 装 层 重量 、 活载 以及温 度 作用 下 的受 力状 况 进行 了 空间 非
力方 向确定 ． 在有 限元数值 计算 中 ， 裂缝是通过 削弱 主应力方 向上 的主应 力 值来 模拟 的 ． 剪力 在开裂 截 面上的传递 由剪力传 递 系数来 确 定 ． 压 溃则 考 虑 的
图５ 桥面 连续 结构 的 有 限元模 型
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增加荷载 ， 在压 溃 方 向上 ， 应 变增 加应 力 仍保 持 常
数．
在有 限元仿真 分析 中普通钢筋采用 了能同时受 拉 和受 压 的 Ｌ ｉ ｎ ｋ ８杆单元 ． 因橡胶 支 座具 有可 压缩
但不 可受 拉 的力 学特 性， 所 以 选 用 超 弹 性 单 元
Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ １ ８ ５ （ Ａ ｒ ｒ ｕ ｄ ａ—Ｂ ｏ ｙ ｅ ｅ 模 型） 来 模拟 ． 对 于空 间 问 题， Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ程序提供 了 四面体 和六 面体 两种单元 形 状， 通 过智能 网格 划分 得 到简 支梁桥 桥 面连续 构造 的有 限元模 型如图 ５ ．
力（ ． ） 、 结构 的最大 平均 应力 （ ）以及 主梁 的最 大变形如表 １ ．
表１ 简 支梁桥 桥 面连 续构 造 线性 分析 结果 圈８ 温降 ２ ０ ｃ ｃ时的 顺桥 向应 力 （ Ｓ Ｚ ）
载 荷 类 型 主 梁 豁搬 ｆ 砼 应 力 （ Ｍ Ｐ ａ ）
拟砼 ． 此单元是 基于 Ｗｉ ｌ ｌ ａ ｍ － － Ｗａ ｍｋ ｅ 强度理论 的砼 三向受 力的非线 性 响应单 元 ， 具 有 分析 拉应 力 区开 裂 和压 应 力 区压 溃 反 应 的 能 力 ． 每 个 单 元 在 ８个 积 分点处进行开裂 和压 溃 的检 验 ， 一旦 砼单 元 的主应 力超 出了砼 的抗拉 或抗 压 强度 范 围 ， 单元 则 被标记 为开裂或压溃 ， 裂缝 或压 溃 区 的方 向 由相应 的主应
剪 切传递 系数 、 闭合 裂缝 的剪切传递 系数 、 单轴抗拉 强度 、 单轴抗压强 度 ， 以便进行材料 的屈 服与破坏应 力 的判别 ． “ 普通 砼”的桥 面连续构造 在荷 载和温 度
作用下 的非线性 分析的结果如表 ２ ．
图７ 汽 车超 一２ ０作用 下 的顺 桥 向应 力 【 Ｓ Ｚ ）
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图９ 制 动力作 用 下 的顺桥 向应 力 （ ｓ ｚ）
由图 ６～ 图 ８ 可以分 析出简支梁 桥桥面连续构
造在 沥青砼 铺装层 、 活载 以及温度作用 下 ， 其最大拉 应力集 中分 布在连 续缝处 ． 但图 ９ 表 明在 汽 车制动 力作用下 ， 其最大 拉应 力 主要集 中在制 动 力 的作用
线 性分析 ， 并依此 提 出了预防对 策及改 善措施 ． 关 键 词： 简 支梁桥 ； 桥面 连续 ； 早期 损坏 ； 非线 性 ； 有限元 ； 改 善 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ １ ． ７ １ ６ Ｘ（ ２ ０ ０ ５ ｝ ０ １ ． ０ ０ ０ ９ － ０ ７ 中图分类号 ： １ ５ ４ ４ １ ５ ； Ｕ ４ ４ ３ ． ３ ３
１ 工程 背景
渝邻高速公路上长 田湾大桥是一座 ９ × ３ ０ ｍ Ｔ 型
简支 粱桥 ， 双幅全宽： ２ ４ ． ５ ｍ ， 其 中单 幅宽 ： ０ ． ２ ５＋
１ １ ． ２ ５ （ 行车道 ） ＋０ ． ３ ０＝ １ １ ． ８ ｍ， 由５ 片Ｔ 型梁组成 ， Ｔ梁 中距 ２ ． ４ ５ ｍ． 该 桥设计 为桥 面连续结 构 ， 采用 ３ 孔１ 联， 共３ 联． 原设计的桥 面连续构造如图 ３ 、 图４ ．
行．
４ 预 防对 策 及 其 改善 措 施
由表 ２可 以看 出 ， 桥面连 续构造 在各 种 荷载 作 用下 的非线性分析 的结果 中， 其最 大挠度 都 比线 性 分析 的结果大 ， 而桥 面连续 缝处 的砼 的最 大 拉应 力 都大大减小 ， 其 中温度下降 ２ ｏ ℃ 时 的最大拉 应力 为
简支梁桥桥面连续 的构造形式 ， 既具有简 支梁 桥的力学特性 ， 又能为车辆提供连续 的行车道 ， 从而 保证 了行车的平稳 、 舒适 ， 也发挥 了连续桥梁 的优越
伸缩ｌ 遘
性． 因此 ， 这种 简 支梁 桥 又 被 称 之 为 “ 简 支 连 续梁 桥” ．
图 １ 简支梁桥 桥 面连续示 意
３ ． １ 线 性 分 析 结 果
所谓 的线性 分析就是在 没考虑材料 的应力 随应 变变化的基础上 ， 对材 料性 能 的模 拟仅使 用 了材料 的弹性模量 Ｅ， 并 未进 行材 料 的屈 服与破 坏应 力 的
判别 ． 简支梁桥桥 面连续 构造在荷载 和温度作用下 ， 线性分 析得 到顺 桥 向最 大拉应 力 （ 一） 、 最大 压应
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２ 单元 的选 择 及 模 型 的建 立
考 虑到简支桥面连续结 构的构造 比较特殊 ， 是
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各工况之首 ， 但 也不 过 为 １ ． ７ ５ ＭＰ ａ ． 这说明： 在 上 述 几种工况下 ， 桥 面 连续 缝 处 的砼 已开 裂 ； 砼 开 裂 后 必
“ 普通砼 ” 桥 面连 续构 造 的空 间仿 真 分 析 的结 果表 明 ： 若要对桥 面连续构造 的工作性能加 以改 善 ， 首先可 以从减 小 主梁 挠 曲变 形 （ 即梁 端转 动 ）引起
的弯 曲应 力 出发 ， 也 就 是 说 桥 面 连 续 构 造 厚 度 不 宜
过小 ， 但对于桥面 连续构 造 的厚度 通 常为 ６—８ ｃ ｍ， 局部也只有 １ ２ ｃ ｍ， 这本身就容 易遭 到破 坏 ． 另外 ， 还 可通过 限制 梁端转动而使 桥面连续构造 由主要受弯 改变为主要受拉 ， 从而 降低一定 的弯 曲拉应力 ； 与此 同时 ， 还可采用变形 能力强 的材 料作 为跨缝材料 ， 目 的是主动适应桥 面连续 构造 的变 形 ， 降低跨缝 结 构
但 由于桥面连续构 造正位 于主梁变形 （ 梁端转 动和梁体伸缩） 最大的部位 ， 加之相邻桥孔可能 出现
的橡胶支 座弹性 压缩不 同步而 引 起 的错 动变 形影 响， 致使桥面连续构造受力非常复杂 ．
连续 缝的变形
图 ２ 简 支连续 梁桥在 活载 下的变 形
另外 ， 在进行桥梁结构设计时 ， 对桥 面铺装一般
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图４ 简 支 Ｔ梁桥 桥面 连续 构 造原 平面
由钢 筋 和 砼 两 种 材 料 组 成 的 ， 所 以笔者 采用 了
是一种塑性失效 准则 ， 一旦压溃 出现 以后 ， 如果继续
Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 提供的一种空 间 ８ 节点 块体单元 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ６ ５ 来模
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ４ － ０ ２ ． ２ ０ ； 修订 日期 ： ２ ０ ０ ４ － ０ ３ ． １ ５ 作者简介 ： 何畅 （ １ ９ ７ ５一） ， 男， ｌ ￣ Ｉ Ｊ Ｊ ｔ 省 南充市 人 ， 助理工 程师 ， 硕士， 主要从事 桥梁结构 的空 间非 线性研 究 ．
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第 ２期
何
畅， 等： 简支 梁桥桥 面连续构造 的空间仿 真分析
１ １
砼本构 关系采用 Ｓ ａ ｅ ｎ ｚ 的应力 一 应 变曲线 ， 只 考虑上升段 ， 不考 虑下 降段 ． 普 通钢筋都认为是理 想
的弹塑材料 ．
３ 对原 设计 的 “ 普 通 砼 ＂桥 面 连 续 构 造 的仿 真 分 析
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１ ２
重 庆 交 通 学 院 学 报
第 ２ ４卷
表 ２ 简 支 梁桥桥 面 连续 构 造非 线性 分析 结 果
之相 邻桥孔可能 出现 的橡胶 支座弹性压缩不 同步而 引起 的错 动变形影 响 ， 使其 在使 用过 程 中非 常容 易 开裂 ， 从而导致桥 面铺 装 的破坏 ， 对行 车产生不利 的 影响． 因此 ， 对桥面连续构造性 能加 以改善就势在必
改善措施 ， 为简支梁桥桥面 连续 构造 的设计 提供 了 理论依据 ．
都不作专 门的计算分析 ， 铺装层 的厚度及配筋 ， 尤其 是桥 面 连续 缝 处 的配 筋 随 意 性 很 大 ． 如 果施工质量
不能保证 ， 那么 ， 就会使 “ 桥面连续 ” 的构造部分 出现 砼开裂 ， 时 间一久 ， 逐渐发展成碎裂 、 坑洞等病害 ， 严 重的影响了桥梁 的使用性能并危及行 车安全 ． 为此 ， 笔者 根据有 限元理论 ， 采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软件 对渝邻高速公路上 长田湾大桥 的桥面连续构造在沥 青砼铺装层的重量 、 活载 以及温度作 用下 的受 力状 况进行 了有限元仿 真分析研 究， 提 出了预 防对 策及
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重 庆 交 通 学 院 学 报
Ａｔ ＝ ２ （ ＹＣ．
第 ２ ４卷
其 中跨缝结构层厚 ０ ． ０ ６ ｍ， 在梁 肋处 增 至 ０ ． １ ２ ｍ， 跨 缝结构 内配 置 直 径 为 １ ２ ｍ ｍ 的跨缝 钢筋， 间 距 为 ０ ． １ ｍ， 在梁肋处增 加直径为 ２ ０ ｍ ｍ 的跨缝 钢筋 ， 间距 为０ ． １ ｍ． 该桥设计荷 载为汽车 一超 ２ ０ ， 温度变 化为
点处 ， 而此 时 的连 续缝 处 的拉应 力仅 为 ０ ４ ７ ８ Ｍ Ｐ ａ ， 低 于砼 的抗拉 强度 ． 表１ 中的 ， 反映 出桥 面连 续
．
图６ 沥 青砼 作 用下 的顺 桥 向应 力 （ Ｓ Ｚ ）
一
结构在各种荷 载作用 下 的最 大拉 应力 都很 大 ， 均 远 远地超过 了砼 的极 限抗 拉 强度 ， 这 是 因为线 性分 析
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第２ ４ 卷
第１ 期
重 庆 交
通 学 院 学
报
２ ０ ０ ５ 年 ２月
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图３ 简 支 Ｔ梁桥桥 面 连续 构造 原 立面
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