不同支座布置下連續(xù)箱梁受力的三維有限元分析,應用數學論文

不同支座布置下連續(xù)箱梁受力的三維有限元分析,應用數學論文內容摘要：箱梁構造形式多樣、邊界條件復雜，采用桿系模型難以準確計算各種因素對箱梁受力的影響。通過三維有限元模型，開展了不同支座布置對連續(xù)箱梁橫向正應力及縱向正應力影響的研究。結果表示清楚，單支座及雙支座的不同布置形式對橫向正應力及縱向正應力均有較大的影響，根據桿系單元對箱梁構造進行設計偏不安全，尤其在單支座情況下更為不利。本文關鍵詞語：箱梁;支座布置;縱向正應力;橫向正應力;三維有限元;支座布置;AnalysisofInfluenceofBearingArrangementonStressofContinuousBoxGirderbasedonThreeDimensionalFiniteElementYANGNaWUDeng-leiGuangzhouExpressTrafficConstructionCo.,Ltd.Abstract：Duetothevarietyofboxgirderstructuresandcomplexboundaryconditions,itisdifficulttoaccuratelycalculatetheinfluenceofvariousfactorsonthestressofboxgirderbyusingthebarsystemmodel.Basedonthethree-dimensionalfiniteelementmodel,theinfluenceofdifferentbearingarrangementsonthetransverseandlongitudinalnormalstressofcontinuousboxgirderisstudied.Theresultsshowthat:thelayoutofsinglebearinganddoublebearinghasgreatinfluenceonthetransverseandlongitudinalnormalstress,anditisunsafetodesigntheboxgirderstructureaccordingtothemembersystemelement,especiallymoreunfavourableinthecaseofsinglebearing.0引言混凝土箱形截面具有良好的抗彎和抗扭特性，已成為不同跨徑混凝土橋梁設計的首選橋梁構造形式[1,2,3,4]。常規(guī)設計采用桿系進行設計，通過橫向分布系數[5,6]、應力增大系數[7,8,9]等方式方法進行考慮。桿狀構件，即長度遠大于高度和寬度的構件，在拉壓、剪切、彎曲、扭轉作用下的應力和位移，能夠利用經典的材料力學公式計算分析。對于復雜構造，為得到其進一步、較精到準確的分析，可采用三維實體模型進行計算。薛興偉等[10]利用三維實體單元建立連續(xù)箱梁全橋模型求取偏載系數進行了研究，并將實體單元結果，與薄壁桿扭轉理論、修正偏壓法、偏壓法、經歷體驗系數法進行了比照分析。喬倩妃等[11]采用三維有限元實體分析法研究預應力鋼筋混凝土錨固區(qū)的應力狀態(tài)，分析了鋼束彎折角度及錨固塊順橋向長度對錨固區(qū)應力的影響，得到了一些基本規(guī)律。張春雷[12]通過建立三維實體單元模型模擬該連續(xù)梁分析發(fā)現，后澆段配束方案可能是導致該區(qū)域開裂的原因，施工經過中支架對構造的作用可以能導致該構造底板出現裂縫，而運營經過中的超載對構造影響較小。箱梁構造類型多、邊界條件復雜，難以用簡單的系數進行概括。擬采用三維有限元，對支座布置對連續(xù)箱梁受力的影響進行分析。1工程背景及模型的建立某連續(xù)梁橋，其橋跨組合為(430)m，界面為單箱雙室斜腹板截面，主梁采用C50混凝土。橋寬12.5m，梁高1.8m。采用MidasFEA六面體實體單元建模，每個節(jié)點3個平動自由度。全橋連續(xù)梁主梁共劃分了節(jié)點28995個，單元24915個。模型通過在2#墩，分別考慮不同的支座布置形式，來考察支座布置形式對連續(xù)箱梁受力的影響分析。(1)三維實體模型一:雙支座模型。全橋在0#～4#墩均設置雙支座，支座間距為5.2m，見圖1(a)。(2)三維實體模型二:單支座模型。在0#、1#、3#、4#墩設置雙支座，支座間距為5.2m;在2#墩設置單支座，見圖1(b)。主梁混凝土采用C50，計算主要參數取值為:彈性模量Ec=3.55x104MPa、容重=26kN/m3、泊松比=0.167。二期恒載設置于橋面，根據3.526kN/m2考慮，見圖1(c)，同時考慮構造自重。為與空間模型進行有效比照，發(fā)現差異，同時建立了桿單元模型，見圖2。2支座布置對箱梁受力的影響分析通過單支座、雙支座的三維實體模型與桿系模型進行比照。2.1縱向正應力(1)縱橋向正應力結果圖1連續(xù)梁三維有限元模型及空間加載圖2連續(xù)梁桿系模型及空間加載圖3分別為桿系模型、三維實體模型一雙支座模型、三維實體模型二單支座模型，在2#墩的縱橋向截面上緣正應力圖。圖3(a)為桿系模型，整個截面同一高度的應力均一樣，桿系模型2#墩的縱橋向截面上緣正應力為3.2MPa。圖3(b)、圖3(c)采用了線上圖功能，能將兩點間的計算結果，取出若干個計算結果進行圖示，具有方便、直觀的特點。圖3(b)、圖3(c)為實體模型2#墩的縱橋向截面上緣正應力的線上圖結果。由圖3(b)、圖3(c)可見:實體模型的最大縱向拉應力均大于桿系模型，其分別是桿系模型的倍數:三維實體雙支座模型3.65MPa/桿系模型3.2MPa=1.14倍。三維實體雙支座結果3.91MPa/桿系模型3.2MPa=1.22。圖32#墩縱橋向截面上緣正應力(單位:MPa)講明桿系模型計算偏危險，應引起注意;另外，單支座形式最為不利，達桿系模型的1.22倍。2.2橫向正應力圖4分別為三維實體模型一(雙支座模型)、三維實體模型二(單支座模型)，在2#墩的橫橋向截面上緣正應力圖。桿系單元由于不能提取橫向的應力，不能列出。由圖4可見:(1)支座形式改變了箱梁橫隔梁的受力形式。在單支座形式時，與兩側帶懸臂梁的受力形式類似;而雙支座時，主要表現為簡支梁兩側帶懸臂梁的受力形式。(2)三維實體單支座模型3.17MPa/三維實體雙支座模型1.13MPa=2.81倍。單支座情況下，在橫向的效應增大幅度很大，在設計時應引起足夠的重視。3結論以實際工程為背景，建立三維有限元模型，對支座布置對連續(xù)梁橋橫向正應力及縱向正應力進行分析研究，得到了在自重及二期恒載的作用下，單支座及雙支座的不同布置形式對橫向正應力及縱向正應力均有較大的影響，尤其以單支座更偏于不利。另外，構造設計采用桿系模型，將難以考慮支座不同形式對構造的影響，且偏于不安全，應引起足夠的重視，結合三維有限元模型計算結果進行設計。圖42#墩橫橋向截面上緣正應力(單位:MPa)以下為參考文獻[1]賈麗君，林贊筆，袁勇根，等．預應力UHPC連續(xù)剛構橋的優(yōu)化設計[J]．沈陽工業(yè)大學學報，2021(5):591-595.[2]薛興偉，龐興，孫聚陽．基于鋼束優(yōu)化配置的PC梁橋長期變形控制[J]．沈陽工業(yè)大學學報，2021(4):476-480.[3]張陽，張楠，姚學昌．預防大跨PC連續(xù)剛構橋開裂和下撓技術[J]．沈陽工業(yè)大學學報，2020(5):594-600.[4]吳迅，王藝橋，趙柏巖．預應力混凝土橋底板縱向裂縫控制[J]．沈陽工業(yè)大學學報，2020(2):215-219.[5]劉華，葉見曙，俞博，等．橋梁荷載橫向分布系數計算方式方法[J]．交通運輸工程學報，2018(1):62-66.[6]宋建永，張浩陽，張樹仁．公路橋梁荷載橫向分布系數簡化計算[J]．東北公路，2003(4):77-79.[7]程翔云，李立峰．變高度箱梁橋剪力滯效應的三結合分析法[J]．公路，2008(1):104-108.[8]程翔云．應用平面桿系有限元法程序分析連續(xù)彎箱梁橋[J]．公路，2004(10):61-68.[9]方志，曹國輝，王濟川．鋼筋混凝土連續(xù)箱梁剪力滯效應試驗研究[J]．橋梁建設，2000(4):1-3.[1