曲线型桥梁支座脱空原因分析及改进措施计算

曲线型桥梁支座脱空原因分析及改进计算 曲线型桥梁支座脱空原因分析及改进措施 计算 曲线型桥梁支座脱空原因分析及改进措施计算 尹贻新,陈劲慧,陈琼 (西南交通大学土木工程学院,四川成都610031) 【摘要】对曲线型桥梁在使用运营中的支座与桥墩脱空现象的原因进行了分析, 并采用大型通用有 限元软件ANSYS对结构进行计算.采用变更后的桥梁结构受力分析计算表 明支座脱空问题得以解决且 粱,墩受力合理. 【关键词】曲线桥;支座脱空;ANSYS;受力分析 【中图分类号】U443.3 1基本结构 原中箱梁采用图1的截面形式,桥的平面布置见图 2. 墩 图1主梁截面图2全桥平面布置图 整联桥(20+20+24+14)m是在半径为150m的圆曲线 上,每个桥墩墩高都按14m考虑.主梁采用C50混凝土,桥 墩采用C30混凝土.原设计中7,8,9墩设置预偏15cm. 【文献标识码】A 号墩上两个支座离桥墩中心1.45m和1.30m.7和9号墩 上支座再外移25cm.8号墩上两个支座离桥墩中心1.05m 和0.95m.将7号和9号墩上支座改为单向支座. 图4结构变形矢量图 2真实结构模型计算4变更方案计算模型 结构模型采用ANSYS中的渐变梁单元BEAM44进行模 拟,桥墩底部进行固结,支座采用非线性杆单元LINK10(只 受压单元).为了模拟已有的真实情况,荷载只考虑了重力, 预应力.结构模型如图3. 图3真实结构模型 结构在荷载作用下,发生变形,变形矢量见图4,最大矢 量变形为0.036m,支座处竖向上产生0.008m的脱空.与真 实情况相符. 3变更方案 桥墩进行加宽,6,8和l0号墩在外侧加宽0.7m.6,10 结构模型中混凝土部分全部采用ANSYS中的实体单元 SOLID45,模型中6458个单元,9372个节点.为了保证精 度,结构全部采用8节点的六面体单元. 主梁的材料采用C50混凝土,弹模取为345×10Pa. 密度为2550kg/m,线膨胀系数为1×10,.桥墩的材料采 用C30混凝土,弹模取为3.25×10Pa,密度为2550kg/m3, 线膨胀系数为1×10,.支座采用位移耦合的方式模拟(如 果耦合结点出现负反力则出现脱空).结构的有限元模型如 下:主梁上的预应力筋采用ANSYS/CIVIL中的PRESTRESS CONCRETE模块模拟.预应力损失参照EOURCODE2 进行计算后,再与规范结果进行对比修正. 有限元模型在桥墩墩底固结,重力加速度取为9.8m/s. 温度荷载分为升温荷载和降温荷载,升温荷载按系统整体升 温25?和桥面系线性升温10~C考虑,降温荷载按系统整体降 温2o?和桥面系线性降温5~C考虑.二期恒载按39O0N/m 加载.车辆荷载按照《公路桥涵设计通用规范》(jTJ021— 89)中的汽超一20考虑.加载方式分别按对跨中最不利的 车辆满载方式和对于边墩最不利的车辆偏载方式考虑.加载 [收稿日期]2006—12—29 [作者简介]尹贻新(1978一),男,吉林集安人,硕士生. 128四川建筑第27卷5期2007.10 位置见图5至图8. 图5结构模型 图6车载满布 图7车栽偏布一 图8车栽偏布二 5变更方案计算结果 5.1重力荷栽作用下的变形 结构只在重力荷载作用下变形见图9. 梁上最大竖向位移发生在24m跨桥的中部顶板边缘,最 大位移为l0.7Innl.梁上最大拉应力在桥的第一跨20m的跨 中位置为3.45MPa,最大主拉应力为3.47MPa,(见表1). 表1重力荷载作用下梁上位移,最大正应力和主拉应力 梁上位置最大位移(mm)正应力(MPa)主拉应力(MPa) 第一跨20m10.43.58—2.Ol3.58 第二跨20m81.29一O.771.58 第三跨24ml2.23.47一1.953.47 第四跨14m7.l1.42一O.81.77 5.2预应力荷载作用下结构受力情况 结构只在重力荷载作用下变形:在中墩墩顶处结构发生 横桥向的位移为3.746Innl,顺桥为2.919Innl(见表2,表3). 表2预应力荷载作用下梁上最大正应力 梁上(位置)第一跨第二跨第三跨第四跨 跨中上缘(MPa)0.894一1.34一1.901.18 跨中下缘(MPa)一l1.3—4.42—8.2l—l1.12 一 6.48一4.08一6.17l_53支点上缘(MPa) (7号墩)(8号墩)(9号墩)(1O号墩) 支点下缘(MPa)3.391.733.79一lO.O8 表3预应力荷载作用下墩上最大正应力 5.3组合工况的计算结果(表4) 表4组合工况计算结果 粱拉梁压墩最大墩最小工况组合梁主拉应力 应力应力拉应力压应力 3.74(梁底板与2.O84.1lA+B+C1. 3l9.82肋板连接位置)(1O号墩)(1O号墩) 3.84(梁底板与2.563.66A+B+C+ATl_29lO . 2肋板连接位置)(1O号墩)(1O号墩) 3.49(支座处顶2.8l6.52A+B+C+VT2 . 37l1.5板上缘)(1O号墩)(9号墩) 4.33(顶板下3.287.76A+B +C+?T+M1.2llO.7缘)(1O号墩)(9号墩) 3.55(梁底板与4.097.28A+B+C+AT+P llI24lO.2肋板连接位置)(1O号墩)(9号墩) 3.99(梁底板与3.887.28A+B+C+?T+P 21.049.8O肋板连接位置)(1O号墩)(1O号墩) 4.25(支座处顶3.564.63A+B+C+VT+M2 . 79lO.7板上缘)(1O号墩)(8号墩) 3.92(支座处顶4.345.85A+B+C+X7T+P l2.42lQ8板上缘)(1O号墩)(8号墩) 3.93(支座处顶4.154.99A+B+C+X7T+P22. 52lQ7板上缘)(1O号墩)(1O号墩) 注:A:重力;B:预应力;C:二期恒栽;M:车栽满布;?T:升温; VT:降温;Pl:车载偏布--;P2:-~-g~布二.(下转第132页) 四川建筑第27卷5期2007.10129 表3h=6m墩罕遇地震弹塑性时程分析结构反应最大值 墩底弯矩墩底剪力承台底弯矩承台底剪力墩顶位移墩底截面曲率输入方向地震波 (kN?m)(kN)(kN?m)(kN)(m)(rad?m) 第1条2l86o303l3ll2032920.O2440.00356 顺桥向第2条2213030373337035350.02890.O0762 第3条2223032343760o41150.03210.0D9ID8 第1条3l36o457l466l049950.01920.OOO75 横桥向第2条2748039974o97042230.01630.0D062 第3条2388034393513039240.01370.O0o49 表4h=25m墩罕遇地震弹塑性时程分析结构反应最大值 墩底弯矩墩底剪力承台底弯矩承台底剪力墩顶位移墩底截面曲率输入方向地震波 (kN?m)(kN)(kN?m)(kN)(m)(rad?m) 第1条41550257547l9o30160.1l640.OOO70 顺桥向第2条334702483003o29230.O8650.O0o50 第3条3703024334380032150.O99o0.O0o59 第1条4910026735550030030.O77l0.O004l 横桥向第2条5lO0o36246l96042540.08000.O0O43 第3条544403l276365035980.08750.O0048 4结论 由计算结果可见,加速度峰值0.38g的罕遇地震作用 下,h=6m桥墩墩底截面顺桥向屈服未破坏,横桥向开裂未 屈服;^=25m桥墩墩底截面顺桥向,横桥向均为开裂未屈 服,满足规范"大震不倒"的要求.从两桥墩时程反应对比来 看,h=25m桥墩时程曲线变化较为缓和,这体现了高墩自 振周期长,柔性大的特点. 参考文献 [1]范立础,卓卫东.大跨度桥梁抗震设计[M].北京:人民交通出 版社,2001. [2]范立础,卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京:人民交通出版 社,2001. [3]谢旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].北京:人民交通 出版社,2005. (上接第129页) 圈9结构在重力荷栽作用下的变形 6结论与建议 6?1原设计脱空原因 132 通过对真实结构的模拟计算,发现结果与真实状态较吻 合.经分析计算,可以得出结构出现脱空的现象主要是由于 以下原因造成的. (1)内外侧预应力筋配置不合理,主梁在预应力荷载作 用下受扭,容易使主梁在温度荷载作用下产生脱空. (2)主梁和桥墩刚度比不协调,不但桥墩受力非常不利, 而且使得桥墩对主梁作用不足. (3)支座设置不合理. 6.2改进措施 采用变更方案后,结构在最不利工况下梁上最大拉应力 为2.79MPa,最大压应力为11.5MPa,主拉应力为4.33 MPa,墩上最大拉应力为4.34MPa,最大压应力为7.76MPa. 对梁的受力有改善,且支座不脱空,具有安全性,合理性和可 行性. 参考文献 [1]JTGD62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 [s]. [2]GB/TS0283—1999公路工程结构可靠度设计统一标准[s]. [3]JTJ021—89公路桥涵设计通用规范[s]. [4]JTJ041—2000公路桥涵施工技术规范[s]. [5]范立础.桥梁工程[M].北京:高等教育育出版社,2000. [6]孙广华.曲线桥梁计算[M].北京:人民交通出版社,1995. 四川建筑第27卷5期200710