帅家桥维修处治过程中的3号桥墩的顶推受力分析

1、S305省道开利路云开段帅家桥维修处治过程中的3号桥墩的顶推受力分析重庆桥都桥梁技术有限公司重庆交通大学2012年7月目录1、帅家桥的现状32、主梁顶升1cm受力分析42.1模型的选取及建模42.2分析结果62.3小结83、考虑实际偏位的3号桥墩应力分析83.1模型的选取及建模83.2工况a分析结果123.3工况b分析结果163.4小结214、考虑实际偏位的3号桥墩内力与稳定性分析214.1模型的选取及建模214.2工况a分析结果234.3工况b分析结果274.4工况a稳定性分析304.5工况b稳定性分析结果334.6小结365、纵向顶推过程中的主梁的局部应力分析375.1模型的选取及建模37

2、5.2分析结果395.3小结416、总结4142S305省道开利路云开段帅家桥维修处治过程中的3号桥墩的顶推受力分析利用大型有限元软件ANSYS，建立了主梁结构的实体模型、考虑主要偏位的3号桥墩的实体模型以及3号桥墩的梁单元模型。分析在主梁与3号桥墩在顶升1cm与顶推实际纠偏过程中的应力、变形与稳定性计算。1、帅家桥的现状帅家沟桥位于云开路云阳县境内，上部桥跨设计为5x16 m钢筋混凝土连续板桥，全长91 m。云阳岸桥台及第1、2跨位于圆曲线内，桥跨3、4、5位于直线内，在圆曲线内桥面加宽1.4 m，桥跨3、4为加宽渐变段，最大超高值为8%，桥墩采用双柱式桥墩，柱中心间距5.4 m，柱直径1.

3、2 m，桩基直径1.5 m，墩柱轴线与桩基轴线重合。3号桥墩发生严重倾斜变位、桥墩立柱及系梁开裂。图1 桥墩倾斜情况2、主梁顶升1cm受力分析2.1模型的选取及建模利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型，截面与约束等按实桥的情况进行建模分析，按实体单元进行建模。全桥共计10080个单元，16880个节点。分析3号桥墩的主梁向上顶升1cm工况下的主梁受力。模型中考虑了主梁的倾斜（超高情况），按主梁为曲梁进行建模。边界条件：主梁支座处底部约束竖向位移。该Ansys模型中，主梁的竖向方向为Y方向，桥梁轴线方向为Z方向，横桥向方向为X方向。本ANSYS实体模型中，应力的单位为Pa，受拉为正，受压

4、为负；长度的单位是米。主梁混凝土材料为C30，弹性模量为3.0E10，密度为2450，泊松比=0.2，C30混凝土抗拉强度标准值为2.01MPa，抗压强度标准值为20.1MPa。钢材的弹性模量E=2.06105MPa，泊松比=0.3，密度=7850kg/m3。主梁的全桥实体模型见图2.12.3。图2.1 主梁的全桥实体模型图2.2主梁的全桥实体模型的平面图图2.3主梁的全桥实体模型的侧面图2.2分析结果针对主梁顶升的受力特点，计算结果的提取时，重点考虑3号桥墩处的主梁的受力情况，见图2.42.6。图2.4 3号桥墩处的主梁顶升1cm后的全桥变形图图2.5 3号桥墩处的主梁的受力图（俯视图）图2

5、.6 3号桥墩处的主梁的局部受力图（仰视图）2.3小结利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型，考虑了主梁的超高倾斜和主梁为曲梁的实际情况，分析3号桥墩处的主梁向上顶升1cm工况下的主梁受力，具体分析结果如下：1)从全桥变形图可看出，向上顶升1cm后，除了3号桥墩的主梁向上发生位移外，还会对相邻的桥墩产生影响（主要是2号和4号桥墩产生向上位移），使得其支承力减少，从而产生内力重分布，增大3号桥墩处顶推力。2）3号桥墩处的主梁的最大压应力值达到2.35MPa，出现在主梁的下缘，小于C30混凝土的抗压强度标准值（20.1MPa）。3）3号桥墩处的主梁的最大拉应力值达到1.64MPa，出现在主梁

6、的上缘，小于C30混凝土的抗拉强度标准值（2.01MPa）。虽然最大拉应力值小于抗拉强度标准值，但是3号桥墩处的主梁的局部拉应力区域还是较大，在顶升过程中应控制顶升速度，加强混凝土裂纹的观测，防止意外情况发生。3、考虑实际偏位的3号桥墩应力分析3.1模型的选取及建模利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的实体模型，截面与约束等按实桥情况进行建模，按实体单元SOLID45进行建模。全桥共计30174个单元，10272个节点。分析主梁向上顶升1cm工况下的3号桥墩受力情况。3号墩偏移量见表2.12.2。通过计算，3号墩处主梁向上顶升1cm，需要331吨的顶升力。建模时，墩顶的竖向力按331吨作用施加。

7、按最不利工况考虑，此时墩顶没有顶推力。分析工况按以下两种考虑：a、只考虑墩顶的顶升时产生的竖向力；b、同时考虑桥墩自重和墩顶的顶升时产生的竖向力。表2.1 3号墩下游侧墩柱的偏移量3号墩下游横向3号墩下游纵向距墩顶距离偏移量(m)备注距墩顶距离偏移量（m）备注3.810.2359向下游方向偏移1.270.5363向二号墩方向偏移5.080.22992.540.49446.350.2213.810.45187.620.21515.080.41268.890.20776.350.374810.160.1986上立柱7.620.332111.410.18638.890.293712.660.1676

8、10.160.2558上立柱13.910.149111.410.219715.160.130512.660.185316.410.089113.910.143217.660.056415.160.103418.910.028816.410.047920.16017.660表2.23号墩上游侧墩柱的偏移量3号墩上游横向3号墩上游纵向距墩顶距离偏移量（m）备注距墩顶距离偏移量（m）备注5.080.0685向下游方向偏移00.5095向二号墩方向偏移6.350.06831.270.47217.620.07092.540.43848.890.0733.810.398410.160.0764上立柱5.0

9、80.360911.410.0656.350.326912.660.05647.620.289513.910.04728.890.250615.160.034610.160.2128上立柱16.410.019711.410.174617.66012.660.119113.910.082315.160.044616.410本Ansys模型中，桥墩的竖向方向为X方向，桥梁轴线方向为Z方向，横桥向方向为Y方向。本ANSYS实体模型中，应力的单位为Pa，受拉为正，受压为负；长度的单位是米。主梁混凝土材料为C30，弹性模量为3.0E10，密度为2450，泊松比=0.2，C30混凝土抗拉强度标准值为2.0

10、1MPa，抗压强度标准值为20.1MPa。3号桥墩的实体模型见图3.13.4。图3.1 3号桥墩的实体模型图3.23号桥墩的实体模型侧视图图3.3 3号桥墩的实体模型立面图图3.4 3号桥墩的实体模型俯视图3.2工况a分析结果针对3号桥墩的受力特点，只考虑墩顶的顶升时产生的竖向力，提取变形情况与应力情况，见图3.52.6。图3.5 3号桥墩的变形图图3.6 3号桥墩的竖向变形图图3.7 3号桥墩的纵向变形图图3.8 3号桥墩的横向变形图图3.9 3号桥墩的主拉应力图图3.10 3号桥墩的主压应力图图3.11 3号桥墩的竖向应力图图3.11 3号桥墩的纵向应力图图3.11 3号桥墩的横向应力图3

11、.3工况b分析结果针对3号桥墩的受力特点，同时考虑桥墩自重和墩顶的顶升时产生的竖向力，提取变形情况与应力情况，见图3.52.6。图3.12 3号桥墩的变形图图3.13 3号桥墩的竖向变形图图3.14 3号桥墩的横向变形图图3.15 3号桥墩的纵向变形图图3.16 3号桥墩的主拉应力图图3.17 3号桥墩的主压应力图图3.18 3号桥墩的竖向应力图图3.19 3号桥墩的纵向应力图图3.20 3号桥墩的横向应力图3.4小结利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的实体模型，考虑了3号桥墩的纵桥向偏位与横桥向偏位，使得受力结果更接近实际情况，计算了2种工况下的受力情况，具体分析结果如下：1）对于工况a，从

12、3号墩的变形图可看出，在顶升力的作用下，墩顶发生3.3mm的竖向位移，2mm的横向位移和36.6mm纵向位移，使得墩顶的纵向有继续变大的趋势。2）对于工况a，从3号墩的受力云图可看出，在顶升力的作用下，3号桥墩将会产生1.82MPa的拉应力，位于3号墩的下游墩柱的中间；3号桥墩将会产生7.06MPa的压应力，位于3号墩的下游墩柱与横梁的交界处。3）对于工况b，从3号墩的变形图可看出，在顶升力的作用下，墩顶发生3.7mm的竖向位移，2.5mm的横向位移和41.6mm纵向位移，考虑自重作用后，墩顶位移均变大，墩顶的纵向位移变大最为明显。4）对于工况b，从3号墩的受力云图可看出，在顶升力的作用下，3

13、号桥墩将会产生1.91MPa的拉应力，位于3号墩的下游墩柱的中间；3号桥墩将会产生8.10MPa的压应力，位于3号墩的下游墩柱与横梁的交界处。2种工况的最大拉、压应力的位置基本不变。5）虽然2种工况下，混凝土的拉、压应力均小于C30混凝土强度的标准值，但是混凝土拉压力的区域还是比较大，拉应力的数值（最大值为1.91MPa）接近混凝土强度标准值（2.01MPa），应引起注意。4、考虑实际偏位的3号桥墩内力与稳定性分析4.1模型的选取及建模利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的梁单元模型，截面与约束等按实桥情况进行建模，按Beam188单元进行建模。全桥共计57个单元，88个节点。分析主梁向上顶升1

14、cm工况下的3号桥墩稳定性情况。施加的力、工况与实际线形同实体单元。分析工况按以下两种考虑：a、只考虑墩顶的顶升时产生的竖向力；b、同时考虑桥墩自重和墩顶的顶升时产生的竖向力。模型图见图4.14.2。图4.1 梁单元模型的3号桥墩模型图图4.2 显示截面外形后的梁单元模型的3号桥墩模型图4.2工况a分析结果针对3号桥墩的受力特点，考虑墩顶的顶升时产生的竖向力，提取变形与内力情况，见图4.34.10。图4.3 工况a作用下3号桥墩的变形图图4.4 工况a作用下3号桥墩的竖向变形图图4.5 工况a作用下3号桥墩的纵向变形图图4.6 工况a作用下3号桥墩的横向变形图图4.7 工况a作用下3号桥墩的轴

15、力云图图4.8 工况a作用下3号桥墩的横向弯矩云图图4.9 工况a作用下3号桥墩的纵向弯矩云图图4.10工况a作用下3号桥墩的扭矩云图4.3工况b分析结果针对3号桥墩的受力特点，考虑自重与墩顶的顶升时产生的竖向力，提取变形与内力情况，见图4.114.17。图4.11 工况b作用下3号桥墩的竖向变形图图4.12 工况b作用下3号桥墩的纵向变形图图4.13 工况b作用下3号桥墩的横向变形图图4.14 工况b作用下3号桥墩的轴力云图图4.15 工况b作用下3号桥墩的横向弯矩云图图4.16 工况b作用下3号桥墩的纵向弯矩云图图4.17 工况b作用下3号桥墩的扭矩云图4.4工况a稳定性分析桥墩作为压弯结

16、构，其稳定问题是至关重要的。下面列举了工况a作用下的稳定性分析结果，见表4.1。第一阶失稳模态是纵向弯曲失稳，稳定系数为12.766，大于4，满足规范要求。前5阶的失稳模态见图4.184.22。表4.1 工况a作用下的稳定性分析结果阶数稳定系数备注112.766纵向弯曲失稳284.914纵向弯曲失稳3101.94159.585259.666292.477307.578341.319457.5510461.75表4.18 工况a作用下的第一阶失稳模态表4.19 工况a作用下的第二阶失稳模态表4.20 工况a作用下的第三阶失稳模态表4.21 工况a作用下的第四阶失稳模态表4.22 工况a作用下的第

17、五阶失稳模态4.5工况b稳定性分析结果下面列举了工况b作用下的稳定性分析结果，见表4.2。第一阶失稳模态是纵向弯曲失稳，稳定系数为11.274，大于4，满足规范要求。前5阶的失稳模态见图4.234.27。表4.2工况b作用下的稳定性分析结果阶数稳定系数备注110.777纵向弯曲失稳266.093383.7894116.065199.926236.947269.68279.199338.6510363.33表4.23 工况b作用下的第一阶失稳模态表4.24 工况b作用下的第二阶失稳模态表4.25 工况b作用下的第三阶失稳模态表4.26 工况b作用下的第四阶失稳模态表4.27 工况b作用下的第五阶

18、失稳模态4.6小结利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的梁单元模型，模型中考虑了3号桥墩的纵桥向偏位与横桥向偏位，使得受力结果更接近实际情况，具体分析结果如下：1）梁单元模型的两种工况的计算结果与实力单元的计算结果相比，竖向位移与横向位移的结果都相差不大，纵向位移相差5mm，总的来说区别不大，结果是吻合的。2）工况b作用下，在梁单元模型的分析结果中，桥墩的最大纵向弯矩位移墩的底部，大小为1.13e6 N.m，而横向弯矩与扭矩的数值很小，可以忽略不计。3）桥墩作为压弯结构，其顶推过程中的稳定问题是至关重要的。工况a与工况b作用下的稳定系数均大于10，满足规范大于45的要求。第一阶失稳模态均是纵向弯

19、曲失稳。4）为了减少根部纵向弯矩的值，在顶升梁体时，可以把千斤顶置于3号墩的墩顶截面的偏心处（靠近4号墩），以减少力臂。5、纵向顶推过程中的主梁的局部应力分析5.1模型的选取及建模利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型，截面与约束等按实桥的情况进行建模分析，按实体单元进行建模。全桥共计73338个单元，19505个节点。分析顶推过程中的主梁的局部应力。图5.1 有限元模型图图5.3有限元模型的局部构造图1图5.4有限元模型的局部构造图25.2分析结果针对主梁顶升的受力特点，计算结果的提取时，重点分析复位千斤顶处的主梁的受力情况，见图2.42.6。图5.5 复位千斤顶处的主梁的主拉应力图5

20、.5锚孔处的主梁的主拉应力图5.5锚孔处的主梁的主压应力图5.6锚孔处的主梁的纵向位移5.3小结利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型，截面与约束等按实桥的情况进行建模分析，分析顶推过程中的主梁的局部应力，具体分析结果如下：1）在复位千斤顶的作用下，锚孔处的主梁的位移（与复位千斤顶施加力的方向一致）达到了0.06mm，满足规范要求。2）在复位千斤顶的作用下，锚孔处的主梁的局部区域应力较大，但区域很小，其他地方的应力很小。6、总结本计算报告结合帅家桥的顶推加固的实际情况，利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型，分别考虑了3号桥墩与主梁的超高倾斜和主梁为曲梁的实际情况，分析了多种工况，得到了以下结论：1) 在3号桥墩处的主梁向上顶升1cm工况下，主梁受力和支反力会产生重分布，相邻的桥墩的支承力减少，增大了3号桥墩处顶推力。3号桥墩处的主梁的最大压应力值达到2.35MPa，出现在主梁的下缘，最大拉应力值达到1.64MPa，出现在主梁的上缘，均小于C30混凝土的强度标准值，但3号桥墩处的主梁的局部