基于连续刚构桥V形墩的极限承载能力应用.pdf

第 卷 第 期 年 月 公路工程 收稿日期 作者简介 陈品明 男 浙江青田人 高级工程师 研究方向 桥梁与隧道工程 基于连续刚构桥 形墩的极限承载能力应用 陈品明 卞绍洋 叶 斌 浙江省宏途交通建设有限公司 浙江 杭州 浙江交工路桥建设有限公司 浙江 杭州 摘 要 依托某双幅大跨度 形墩预应力混凝土连续刚构桥工程 运用有限元软件 建立了 形墩 的关键节点三维实体非线性模型 分别对其截面 腿钢筋应力及裂缝分布在极限状态与正常使用极限状态下的 承载能力进行定量分析 同时参照现场实测数据 将 形墩承载能力进行修正 得出结论 在承载能力极限状 态下 形墩处于大偏压破坏 允许 值约为 正常使用极限状态 形墩钢构截面的边缘最大压应力控制着 允许活载超载系数 值约为 钢筋应力与裂缝宽度在相关规范约束下允许的活载超载系数约为 通过考虑 形墩刚构桥在成桥后及使用前的实测应力与理论应力差异 得出修正后 形墩的允许 值为 减小幅度 达 关键词 形墩 连续刚构桥 极限承载能力 有限元法 超载系数 非线性分析 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 由于 形墩连续刚构桥具有计算跨径较短 上部结构高度较低 跨中支点部位弯矩较小等优 点 故广泛运用于我国桥梁的建设 但是 形墩作为该类型桥梁的关键部位 受力情况极为复 杂 故其极限承载能力分析及评估至关重要 因正 常使用状态与理论分析存在一定程度的差异 导致 桥梁实际与理论两者的承载能力差距较大 因此有 必要对此类型桥梁 形墩的实际承载力进行详细 分析 目前 国内研究者主要采用理论分析 室内试 第 期陈品明 等 基于连续刚构桥 形墩的极限承载能力应用 验 理论结合试验的方法对桥梁结构的极限承载能 力进行分析 其中理论分析方法应用最为广 泛 而使用该方法分析的极限承载力并未依据桥梁 实测数据加以修正 故分析结果较为片面 本文依 托某双幅大跨度 形墩预应力混凝土连续刚构桥 工程 运用有限元软件 建立了 形墩的关 键节点三维实体非线性模型 定量分析了 形墩 刚构桥的极限承载能力 同时依据桥梁施工整个过 程的实测数据 将有限元理论结果加以修正 得出 形墩刚构桥的实际极限承载能力 工程概况 某双幅大跨度 形墩预应力混凝土连续刚构 桥 梁体全长为 单幅 桥面宽度为 其中箱梁高度为 腹板 厚 梁 体 顶 底 板 厚 度 均 为 主桥墩设计为 形墩结构 斜腿设计为单 箱双室预应力钢筋混凝土箱形结构 撑斜腿内中 部设置隔板 斜腿顶底部连接箱梁 撑支座部位 设置一定长度的实体过渡段 此外 将预应力钢束 沿 形墩两斜肢截面顶 底板中心部位进行布置 其中一端锚固于承台顶部以下 处 另一端于 梁墩相交位置进行张拉 以改善 形墩的应力状 态 从而提升其耐久性能 该桥整体布置如图 所 示 图 桥梁整体布置图 单位 施工方法 据相关研究可知 桥涵结构承载能力的极 限状态主要分为两类 一类为截面最大承载 另一 类为结构变位及变形的限制 本文对该连续刚构桥 形墩的极限承载能力进行分析时 将 形墩的 恒载作用条件设为定量 按照一定比例依次对桥梁 施加活载 探讨结构在符合其极限状态条件下的活 载超载系数 形墩的极限承载能力可由该系数 表示 根据参考文献 规定的活载值 桥梁为正 常通车状态时 值等于 而超载状态时 值 大于 其所承受的活载是正常通车状态时的 倍 连续刚构桥 形墩在使用荷载作用下的极限 承载力主要由斜腿内部钢筋混凝土压弯构件的承载 能力表征 其中箱形截面压弯受力构件的极限承载 能力主要由受拉区混凝土开裂以及受压区混凝土压 溃控制 综上所述 连续刚构桥 形墩的极限承载能 力应分别从其截面边缘裂缝宽度及应力变化处于相 关规范规定的极限状态 状态 截面的压弯受 力处于承载能力极限状态 状态 两个方面进行 分析 两种状态下 形墩极限承载能力分析分别 为 状态 通过建立 型钢实体非线性模型 针 对不同活载超载系数 条件下连续钢构桥 形墩 节点的混凝土裂缝宽度与应力变化进行有限元分 析 状态 通过参照有限元分析结果 依据相关 规范方法 分别对 型钢各个关键截面的极限承 载能力进行验算 另外 为保证 形墩的实际极 限承载能力有效可靠 本文基于以上两种状态的研 究结果 结合现场实测数据 将其活载超载系数 进行了修改 有限元计算 计算模型 运用有限元软件 建立 形墩的关键节 点三维实体模型 单元网格选用带筋 非线 性单元模拟 考虑到 形墩截面各区配筋的差异 采用体积配筋率的方式对其内部结构中钢筋的刚度 贡献进行模拟 另外 形墩截面裂缝宽度采用对 应分布裂缝模型方式进行模拟 依据实体力筋法分别对 形墩节点 段箱 梁结构内预应力筋进行模拟 而预应力的效果模拟 采取降温法 同时考虑了各区域的预应力损失情 况 将 形墩承台底部进行约束作为整体模型底 部的固定边界 为降低箱梁端处的边界条件对模型 造成的影响 保证 形墩的分析结果合理有效 整体模型上部箱梁端仅取其相应的一个施工节段 具体计算模型如图 所示 其中钢筋 预应力钢束 均采用理想弹塑性本构模型 而 强度混凝土 则采用单轴受压的应力 应变本构模型 边界条件与荷载组合 形墩各节点模型的成桥恒载 梁端边界条件 以及施加的活载均从该连续刚构桥整体模型内提 取 通过采用影响线加载模拟施加于桥面的活载 分布形式根据计算截面处于最不利受力时桥面的活 公路工程 卷 载实际情况进行布置 由结构总体分析结果 将荷 载组合设定为最不利受力状态下 形斜腿上 下 缘弯矩最大时的恒载与活载组合 图 形墩三维实体非线性模型 根据以上分析 采用的荷载基本组合 恒载 活载 温度荷载 对 形墩截面极限承载能 力状态的分析 其中各荷载均为设计值 而截面极 限承载能力在正常使用状态下的应力分析 以荷载 标准组合 恒载 活载 温度荷载 与荷载短期效应组合 恒载 活载 温度荷载 分别计算截面的压应力 拉应力及 裂缝 结果及分析 极限承载能力 将不同活载超载系数 荷载组合条件下 形 墩两侧斜腿受力最不利截面的内力 轴力 弯矩 变化与压弯承载能力包络线进行了计算 活载超载 系数的初始值 依次增加后将对应的轴力 弯矩点进行连接 形成其组合变化线 在组合线相 交于截面压弯承载能力包络线处的 值 表示其 截面承载能力最大允许值 本文以 截面为 例 其内力变化及压弯承载能力包络图分别如图 图 所示 根据计算结果可知 形墩两侧斜腿的内力 轴力 弯矩 组合线随着 值的增大逐渐向其截 面的压弯承载能力包络曲线靠拢 其中 形墩 截面的最大允许 值分别为 其破坏 形态则分别属于大偏压破坏 小偏压破坏 正常使用极限承载能力 依据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范 相关规定 混凝土正 常使用极限状态下允许的拉应力与压应力分别采用 表征 图 形墩 截面内力变化及压弯承载能力包络图 图 形墩 截面内力变化及压弯承载能力包络图 通过对不同活载超载系数 荷载组合条件下 形墩两侧斜腿受力最不利截面边缘的应力变化与压 弯承载能力包络线进行了计算 分别得出 形墩 斜腿 截面边缘应力变化及允许应力包络线如 图 图 所示 从图中可以看出 截面边缘允 许的 值由上缘压应力控制 此时活载超载系数 约为 截面边缘允许的 值由下缘压应力控 制 此时活载超载系数约为 形墩斜腿的钢筋应力与裂缝宽度 形墩有限元模型的网格划分采用加筋混凝土 单元 在桥面受到活载作用时 可得出不同 值 条件下 形墩两侧斜腿的钢筋应力以及裂缝宽度 变化规律 同时以满足相关规范要求 形墩允许 的最大裂缝宽度限值 确定相应节点的允许活载系 数 通过计算分析 得出工况 条件下 形 墩两侧斜腿钢的筋拉应力与最大裂缝宽度变化规律 分别如图 图 所示 其中 工况 分别为 形墩斜腿截面 最不利受力时的工况组合 第 期陈品明 等 基于连续刚构桥 形墩的极限承载能力应用 图 形墩 截面边缘应力变化及允许应力包络图 图 形墩 截面边缘应力变化及允许应力包络图 图 斜腿钢筋拉应力的变化规律 图 斜腿最大裂缝宽度的变化规律 从图 图 可以看出 形墩两侧斜腿的钢 筋拉应力与混凝土最大裂缝宽度均随着活载系数 增大而增大 其发展规律也均呈非线性变化 依据 公路桥涵设计通用规范 类环境下钢绞线 钢丝 预应力混凝土构件的 允许裂缝宽度为 故 形墩裂缝宽度在考 虑材料非线性后的允许活载系数 约为 综合上述分析 得出 形墩节点的承载能力 正常使用两种极限状态下允许活载系数 理论值 约为 极限承载能力的修正 通过采用应力计和挠度监测装置 分别对该桥 施工全过程中 形墩节点 主梁的应力及挠度变 化进行了监测 将 形墩节点的有限元理论结果 与桥梁使用前实测应力数据进行对比分析 发现其 理论值小于实际测量数值 其中两者的数值差异在 之间波动 各位置之间的差异也不相 同 因应力以及挠度的差异会对桥梁的实际极限承 载能力造成影响 故有必要考虑实测值与理论值之 间的差异 将 形墩节点允许活载系数 的有限 元理论值加以修正 从而更准确的评估其实际极限 承载能力 将 形墩节点分析截面在成桥后及使用前的 应力实测数据与有限元理论结果进行对比 同时分 析其活载系数 得出结果如表 所示 表 修正后 形墩各分析截面的允许活载超载系数 截面 使用前桥梁截面 应力 允许活载系数 理论值实测值不考虑差异考虑差异降低幅度 根据表 可知 考虑 形墩刚构桥在成桥后及 使用前的实测应力与理论应力差异后 因实测应力 比有限元理论值较大 其各控制截面的允许活载系 数 都有不同程度的减小 其中分析截面 的理 论允许 值为 考虑相应差异后 允许 值减小 为 减小幅度达 通过对 形墩进行计算 分析 得出修正后允许 值约为 表明此 形 墩的承载能力良好 结论 在截面承载能力极限状态下 形墩的破 公路工程 卷 坏形态为大偏压破坏 允许活载超载系数 值约 为 对于正常使用极限状态 形墩钢构截面 的边缘最大压应力控制着允许活载超载系数 值 约为 相关规范约束下 形墩斜腿的钢筋应力 与裂缝宽度允许的活载超载系数约为 根据综合分析表明 形墩刚构桥的有限 元理论允许的活载超载系数约为 通过考虑 形墩刚构桥在成桥后及使用前 的实测应力与理论应力差异 得出修正后 形墩 的允许 值为 减小幅度达 参考文献 吴光宇 汪劲丰 项贻强 等 钢筋混凝土箱形梁极限承载力的 计算 浙江大学学报 工学版 徐金勇 颜传胜 大跨度混合梁斜拉桥弹塑性极限承载力分析 桥梁建设 李华 王道斌 曾庆元 大跨度连续刚构桥预应力混凝土箱型 梁极限承载力分析 中国公路学报 江见鲸 陆新征 叶列平 混凝土结构有限元分析 北京 清华大学出版社 尤吉 房涛 付公康 公路桥梁承载能力评估目标可靠指标计 算 世界桥梁 周绥平 刘西拉 译 梁柱分析与设计 第 二卷 空 间 问 题 特 性 及 设 计 北 京 人 民 交 通 出 版 社 公路桥涵设计通用规范 王新敏 工程结构数值分析 北京 人民交通出版 社 王崧 刘丽娟 等 有限元分析 理论与应 用 第三版 北京 电子工业出版社 混凝土结构设计规范 櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 上接第 页 因此在进行既有隐伏溶洞地段隧道施工时 必 须遵循一探一挖方式 尽可能降低既有隐伏溶洞的 危害 对于溶洞及其附近断面 在施工之前 要进 行初期支护和全面预注浆处理 在填充既有溶洞前 提下 进一家加固隧道边墙及仰拱处的围岩强度 依据实测结果 进行二次衬砌支护 值得注意的 是 对于 级围岩隧道 由于岩体存在裂隙发育现 象 因此施工过程 必须考虑岩溶地下水的影响 结论 通过利用有限元分析软件 从围岩应 力 位移 塑性区角度探究既有隐伏溶洞对隧道围 岩及支护稳定性影响 得出 既有隐伏溶洞 最大主应力以及等效应力 处于上方隧道墙脚处 且该处应力集中 底部溶洞 导致隧道偏压 在距离溶洞外壁较近的断面 具有 极大的围岩应变力 断面隧道施工完成 极大降低溶洞岩体以 及隧道岩体的受力 导致溶洞左右端的岩体应力集 中 距离隧道墙脚处最近的岩体处具有较大剪应力 和极薄的厚度 导致该处的溶洞稳定性薄弱 分布广 塑形应变强的隧道围岩塑性区 特别是仰拱处岩体塑性区 具有极强的塑形应变 力 且隧道边墙的塑形区面积增加 导致在隧道围 岩外侧 在一定程度上 均进入塑形变形阶段 既有隐伏溶洞 会极大减弱溶洞前后位置 围岩的稳定 并可以在一定范围内降低喷射混凝土 所具有的结构安全性 因此隧道开挖要遵循一探一 挖 尽可能降低既有隐伏溶洞的危害 参考文献 王桂杰 注浆技术在处治隧道底部隐伏溶洞中的应用研究 建筑技术开发 周雪铭 刘辉 彭川 等 岩溶隧道开挖对溶洞处治结构影响 的数值模拟分析 岩土力学 赵朝阳 傅鹤林 隧底岩溶对围岩稳