钢-混组合连续箱梁桥的仿真分析

钢-混组合连续箱梁桥的仿真分析

钢-混混合箱梁是一种经济合理的新型结构，由钢和混凝土两种材料结合而成。这种结构充分利用了钢材抗拉性能强和混凝土抗压性能强的优点,使材料各尽其用,显著地节省了原材料。同时,这种结构具有架设速度快、施工方便、刚度大、跨越性能强、抗震性能好等优点,有着非常好的技术经济效益和社会效益。因而,钢-混组合箱梁被广泛地应用在公路桥梁上。但是,由于钢-混组合箱梁结构的受力比较复杂,加之目前我国关于钢-混组合结构桥梁的设计指南和规范尚不完善,因此,在推广使用的过程中需要对其进行详细的计算分析,以确保结构的安全性。1箱室内部连接点布置秦城枢纽H匝道桥是秦城枢纽互通中跨越原太高速公路的一座跨线桥,该桥采用桥跨布置形式为28.5+45+28.5m的钢-混组合箱梁桥结构。主梁钢混组合箱梁共有2个箱室,各箱室的底板宽度为2.5m,两个箱体之间通过横向连接系相连接。箱体的顶板宽度为10.5m,单侧翼缘板挑臂长度为1.75m,2个箱室间距为2.0m,混凝土顶板厚度沿横桥向为变厚度,挑臂端部厚度为20cm,挑臂根部位45cm,箱室内部中央位置厚度为30cm,2箱之间部位混凝土厚度为45cm。桥面布置为0.50(外侧护栏)+9.50(机动车道)+0.50(外侧护栏)m=10.5m。该桥位于半径为R=260.00m曲线上。主梁横断面如图1所示。2钢箱梁和混凝土桥面板模型与一般混凝土箱梁桥相比,钢-混组合箱梁桥的受力较为复杂,其最终的受力状态与其施工过程密切相关。一般而言,钢箱梁自重靠自身承担,其上混凝土桥面板自重由钢箱梁或钢箱梁和混凝土共同承担,结构的活载由钢箱梁和混凝土桥面板共同承担。由于组合梁桥的应力分配比较复杂,因此对于组合梁桥需要根据其不同的工作阶段进行计算分析,以清楚地了解结构的受力状态。2.1总体计算模型分析进行纵向整体仿真计算,目的是为了了解结构在各施工阶段以及成桥后的受力状态、应力水平和变形情况。因此,整体仿真计算使用平面杆系模型即可满足要求,且使用平面杆系模型可以大大减小工作量。本桥采用专业软件DoctorBridge进行总体计算分析。该桥将整个施工过程划分为14个施工阶段进行模拟。利用组合截面模拟混凝土和钢结构的共同作用,建立梁单元进行分析。混凝土部分作为单元的附加截面,钢梁部分作为单元的主截面,利用等效荷载法施加组合梁的预应力。通过对各个施工阶段主梁应力和变形情况的分析,清楚地了解了主梁在施工阶段和成桥使用阶段的应力水平和安全储备。同时通过整体计算分析可以确定合理的压重位置和压重值,以及合理的临时墩位置。图2为该桥的总体计算模型。2.2模型创建和分析为了详细了解结构各构件的应力状况,利用大型通用软件ANSYS对全桥进行分析计算,钢梁部分采用板单元shell43模拟,全桥共建立101466个板单元。混凝土部分采用实体单元solid45模拟,全桥共建33756个实体单元。预应力筋采用索单元link8模拟,共建索单元365个。混凝土桥面板与钢梁顶板之间的剪力钉通过弹性连接进行模拟。全桥共用节点数量为142604个。模型图如图3所示。空间板单元计算分析利用ANSYS的非线性模块,使用单元生死的方法模拟组合梁桥的施工过程。分析结构的各个构件在不同施工阶段的应力状态,准确得到钢梁顶板、底板、腹板、底板加劲肋、水平加劲肋、横隔板、横隔板加劲肋和横向连接系的应力水平和变形特性,以及混凝土桥面板的应力和变形状况。空间板单元仿真分析可以清晰准确地反映出各构件的受力状态,由此可以确定出结构的薄弱位置,从而对薄弱部位进行相应的优化设计,以保证各构件的安全性和可靠性。2.3关键部门的局部验算、结构疲劳和稳定性验证2.3.1局部分析结果通过前面的计算分析可知,对于组合梁中墩附近位置结构的应力水平较高。而该区域的应力分布和应力传递都比较复杂,因此为了清楚地了解其受力情况,对该区域的局部进行了详细的分析。该部位的局部计算分析使用通用有限元软件ANSYS进行。计算表明,该区域顶板的应力较为均匀,变化不大;腹板的应力在墩顶位置最大,随着与墩顶的纵向水平距离增大而逐渐变小,纵桥向同一位置处则是从腹板下部往上部逐渐减小;底板应力从墩顶向两侧逐渐减小,在墩顶与横隔板交界处较大;横隔板应力是在与底板及腹板交界处较大,在中央位置较小,在支座正上方最大;隔板竖向加劲肋及水平加劲肋应力均较小。结构的支撑反力主要通过两个途径传递给腹板:一是由底板直接传递给腹板,二是由横隔板传递给腹板。2.3.2关键部位疲劳性能验算凡承受动应力的结构构件或连接件,应进行疲劳验算。该钢-混组合箱梁桥在汽车荷载作用下,为了防止其出现疲劳破坏,需要对其关键部位的疲劳性能进行验算。利用专业软件MIDASCIVIL计算结构影响线,并利用影响线对结构进行加载,计算其在活载作用下的应力幅值,确保结构不会发生疲劳破坏。2.3.3钢构件失稳原因分析该桥的施工顺序是先架设钢箱梁,放松临时支撑,将钢箱梁由简支体系变成连续体系,后浇注混凝土桥面板。因此,钢箱梁在架设的过程中也可能发生稳定破坏。此类在施工过程中发生钢构件稳定破坏的事例也不少,典型案例如加拿大魁北克桥因在施工中发生钢构件失稳而倒塌。因此必须对该组合梁桥在施工过程中的稳定性进行分析计算。在成桥状态,由于钢梁和混凝土已经联成整体,混凝土对截面整体的刚度贡献很大,其整体刚度较高,一般不会发生整体失稳。但是钢箱梁的各构件有发生局部失稳的可能性。计算分析可知,在中墩附近主梁需要承受很大的负弯矩,钢箱梁的底板和腹板要承受很大的压应力,因此有可能发生稳定破坏。但是,底板由于有较强大的纵向加劲肋及横隔板的约束,没有发生稳定破坏,而腹板由于其竖向加劲肋布置较稀疏,在强大的压力作用下发生稳定破坏。这种稳定破坏在钢-混组合梁的设计和施工中需要引起足够的重视。因此,对于结构受力复杂的钢混组合箱梁桥在其设计使用的过程中需要进行详细的分析计算以保证结构的安全可靠。3钢-混组合箱梁桥总体施工质量情况本文对秦城枢纽H匝道桥在施工和使用过程中可能出现的最不利状况进行了计算分析,达到了准确掌握结构受力状态、确保结构安全可靠的目的。(1)通过建立杆系模型的计算,了解了结构在施工阶段及成桥后的受力状态、应力水平和变形情况。(2)通过基于板单元的空间受力分析,得到了钢箱梁在吊装就位后、螺栓连接前阶段和成桥状态下各构件的应力水平和变形情况。(3)通过对关键