荊州長江斜拉橋結(jié)構(gòu)三維仿真（I）- 靜力分析

1、荊州長江斜拉橋結(jié)構(gòu)三維仿真（I）- 靜力分析         1、斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點    斜拉橋是由梁、塔、索三部分組成的一種組合體系結(jié)構(gòu)。斜拉橋利用從橋塔上伸出的許多斜拉索作為梁的彈性支撐點，就象多跨連續(xù)梁那樣工作，使跨距顯著減小，這樣可以大大減小梁的彎矩。斜拉索對梁的彈性支撐作用只有在拉索始終處于張緊狀態(tài)時，才能得到充分的發(fā)揮，因此在受荷前必須對索進(jìn)行預(yù)張拉。一般說來，斜拉索的支撐對恒載最有效，對車輛載荷次之，對風(fēng)載最差。而對大跨橋梁結(jié)構(gòu)來說恒載內(nèi)力所占比重最大，恒載彎矩小了，主梁斷面可以小

2、一些，自重減輕，從而增大了橋梁的跨越能力。    借助斜拉索的預(yù)拉力，可以對主梁進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整。對于混凝土梁來說，在全橋合龍后進(jìn)行一次索力調(diào)整，可以根據(jù)需要調(diào)整恒載索力消除由于混凝土收縮及大部分徐變產(chǎn)生的附加內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)在最終狀態(tài)具有最優(yōu)的彎矩包絡(luò)圖。    2、 研究對象    我們要研究的斜拉橋是位于湖北省荊州市的荊沙長江公路大橋的南汊通航孔主橋(如圖1)，主跨布置成160+300+97米，橋梁全長557米該斜拉橋為雙索面漂浮體系斜拉橋結(jié)構(gòu)，42、43號主塔墩設(shè)置橫向減震限位支座，41號墩設(shè)豎向承壓支座

3、，44號墩設(shè)豎向拉壓支座。本橋橋塔為H型結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號C40。42號主塔墩(如圖2)H型高塔承臺以上塔高124.8米，塔頂標(biāo)高150.2米(黃海高程，下同)。43號主塔墩H低塔承臺以上塔高89.4米，塔頂標(biāo)高125.2米。    主梁為等高度雙肋板式(即型)預(yù)應(yīng)力混凝土(C60混凝土)結(jié)構(gòu)，如圖3。橋梁縱軸線處梁高2.465米，主梁頂面設(shè)雙向2.0%的橫坡，即主梁邊緣處梁高2.2米。主梁頂面寬26.5米，底面寬27.0米。將南汊通航孔主橋主梁從41號墩位處開始至44墩位處共劃分成75個梁段。荊沙長江公路大橋南汊通航孔主橋主梁為高標(biāo)號C60混凝土，即高強(qiáng)度混凝土。

4、C60混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度=42.0MPa、=3.40MPa；設(shè)計強(qiáng)度=32.5MPa、=2.65MPa。    采用低松弛鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲(直徑7毫米，強(qiáng)度級別1570MPa)，熱擠黑色聚乙烯(PE)及彩色聚乙烯(PE)索套防護(hù)的斜拉索。全橋斜拉索由1217、1517、1877、2117、2537共五種規(guī)格組成。南汊通航孔主橋高塔墩(42號塔墩)最長斜拉索為M21(PES7253)號拉索長188.75米，重15.29噸；最短斜拉索為S01(PES7-187)號斜拉索，長51.73米，重3.10噸。低塔最長斜拉索為M22(PES7-253)號拉索，長134.75米，重10

5、.91噸；最短斜拉索為M36(PES7-187)號拉索，長38.65米，重2.32噸。    本課題用ABAQUS有限元軟件完成了全三維仿真，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體系的靜力、動力和鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力數(shù)值模擬分析。    3、靜力學(xué)分析    按一次性加載和分段加載兩種方式討論斜拉橋結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)行為。    3.1、 一次性加載    靜載荷只包括了橋梁的自重。采用ABAQUS/Standard，橋塔用箱梁單元；拉索用桿單元，拉索的連接用鉸接；主梁和橋面板用減

6、縮積分的20節(jié)點六面體單元；預(yù)應(yīng)力筋用Rebar單元模擬，其預(yù)應(yīng)力值根據(jù)規(guī)范進(jìn)行折減；在邊墩底部用桿單元模擬簡支邊界條件。    從計算的位移情況看來，如圖4，橋面體系的最大撓度出現(xiàn)在中跨的第37號梁段上，向下的位移，梁段中心為11.4cm，邊緣為9.5cm。這一位移相對本橋的跨度而言是很小的，表明在設(shè)計成橋索力之下橋梁接近剛性支撐連續(xù)梁狀態(tài)，設(shè)計索力是合理的。    所有拉索中垂度最大者為M21，垂度為69cm，相應(yīng)的垂跨比為4.0%。這說明了我們用30個拉桿單元模擬一根拉索能提供足夠的精確度。圖1 荊沙公路大橋南汊通航主橋橋型布置

7、圖圖2 全橋豎向位移分布     同其它很多斜拉橋一樣，該斜拉橋的橋面體系自身是很不平衡的，兩個邊跨共長257m，比中跨長300m短約14%。為了體系的平衡，除了截面形狀的變化外，邊跨的最末幾塊橋面梁段配有較大的配重，且由于剪力滯后效應(yīng)，加于邊主梁上的預(yù)應(yīng)力不能有效傳遞到底板上, 另外由于加于底板本身的預(yù)應(yīng)力較小，使在低塔一側(cè)，幾塊加有配重的梁的下底板壓應(yīng)力儲備通常在1MPa左右，個別位置僅0.5MPa。合龍?zhí)幍闹髁荷?、下表面的?yīng)力均在-6MPa左右，由于合龍預(yù)應(yīng)力筋偏于內(nèi)側(cè)，致使該處中部外側(cè)下緣壓應(yīng)力儲備較小，為2MPa。    從

8、計算得到的索力看來，整個拉索體系的受力是比較均勻的。最大索應(yīng)力在S14上，大小為607.6MPa，拉索采用的是低松弛鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲強(qiáng)度級別1570MPa，因此有約2.5倍的安全裕度。滿足規(guī)范要求。     3.2 逐段加載    在下面的工作中，我們用逐段加載的方式來模擬施工過程。盡管在分析過程中不能生產(chǎn)單元，但可以通過下面的方式取得同樣的效果：在模型定義時生成單元，在第一個分析步開始時讓這些單元“死亡”，以后再逐步“激活”它們，形成結(jié)構(gòu)。ABAQUS提供的MODEL CHANGE模塊就有這個功能，我們用它來實現(xiàn)逐段加載。在一個分析步

9、中，可以用MODEL CHANGE將模型的一部分移出，在后繼的分析中，可以再將它們引入到模型中。我們就是利用了它的這一功能，建立起整個模型，先將拉索和梁段從模型中移去(REMOVE)，再逐個激活，這就模擬了斜拉橋的施工過程。圖3 合龍前橋面體系的豎向位移    4、總結(jié)     本文用一次性加載和逐段加載兩種方式分析了斜拉橋的靜力學(xué)行為，并針對ABAQUS提供的兩種激活方式進(jìn)行了討論。逐段加載可以彌補(bǔ)一次性加載的一些缺點。如果我們能夠逐步的調(diào)整配重，維持結(jié)構(gòu)的平衡，MODEL CHANGE 可以工作得很好。主要結(jié)論如下： &

10、#160;  傳統(tǒng)的斜拉橋的數(shù)值模擬大都采用簡單的梁單元模擬橋面系，用Ernst公式等效模擬拉索非線性，建立起簡單的框架模型，完成靜態(tài)或動態(tài)的分析。在靜態(tài)分析中，考慮一次加載或者分幾期加恒載求解體系的平衡。這種模型對橋梁的總體受力情況可進(jìn)行分析，但對橋梁的局部受力分析卻無能為力，它必然會丟掉很多重要的信息。我們利用功能強(qiáng)大的有限元軟件ABAQUS完成模擬。采用20節(jié)點的六面體單元模擬橋面體系，大量桿元模擬拉索的行為。我們采用的模型非常接近真實結(jié)構(gòu)體系，而分析結(jié)果可以用位移及應(yīng)力圖形以非常直觀的形式加以顯示。    在斜拉橋成橋過程中，體系的內(nèi)力有很大的變化，為施工方便，往往還借助臨時墩改善結(jié)構(gòu)受力。一次性加載將主要注意力放到了成橋之后的分析中，而根本不能涉及成橋過程中存在的這些問題。現(xiàn)在興起的分期加載雖在這方面有所努力