【《UHPC拱桥局部受力性能仿真分析案例》8300字】

UHPC拱桥局部受力性能仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u10350UHPC拱桥局部受力性能仿真分析案例 12621.1UHPC拱圈局部稳定分析 157231.1.1腹板高厚比 1322461.1.2加劲措施 33891.2接缝构造分析 6297341.2.1接缝构造形式 6243261.2.2牛腿式接缝 9261241.3横隔板分析 1226161.1.1横隔板的构造形式 133641.1.2横隔板间距 135991.1.3顶板加厚影响 15222591.4拱脚受力分析 16292361.4.1拱脚变化段长度的影响 16142391.4.2拱脚处截面尺寸的设计 17由于UHPC超高的强度，在设计时候，会倾向于轻型化的设计，倾向于采用更小的板厚，以便发挥其优异的材料性能。但是过小的截面尺寸，会引发一些局部设计的问题，比如：①拱圈的局部稳定；②拱桥的接缝构造分析；③横隔板部位的分析；④拱脚受力分析。本章节将依次对着四个问题进行讨论。1.1UHPC拱圈局部稳定分析1.1.1腹板高厚比由于UHPC具有高强度、高韧性特征，这使得在材料应用于桥梁设计时有如钢结构桥梁设计般采用薄壁方案，从而会引起局部失稳等问题。在分析UHPC的局部稳定问题上，由于UHPC材料和钢材特性接近，张云[45]利用钢结构设计规范对UHPC拱圈截面的局部稳定性进行了验算，规范中验算局部稳定主要是对钢拱截面腹板的高厚比和顶底板的宽厚比进行了规定。可知，腹板的高厚比和顶底板的宽厚比是影响拱圈局部稳定的重要因素。本节拟采用有限元的方法对UHPC拱圈的局部稳定进行模拟分析，由于前文已对顶底板的厚度做了整体分析的比较，因此本节主要分析截面腹板的高厚比对拱圈局部失稳的影响，为以后UHPC拱桥的相关设计提供参考。在选择分析的部位时，考虑拱脚处的轴力最大，且每一个拱上立柱下方需设置横隔板增加其局部的刚度，故选取为拱脚至第一个拱上立柱下方的拱圈进行屈曲分析。建立的Abaqus模型如图3-1所示，模型左侧全固结，模型右侧与参考点运动耦合，在该点上添加内力边界条件，内力为Midas中提取的拱脚至第一个拱上立柱下方拱圈节段右端的内力，对应的工况为标准组合。由于改变了腹板厚会影响整体计算的结果，弯矩和剪力会有较大的不同，而轴力差别不会太大，故在提取内力时仅提取轴力作为内力边界条件，如表3-1所示，比较时忽略其他因素对结果的影响。图3-1Abaqus有限元计算模型图表3-1接缝Abaqus有限元计算模型力学边界表格荷载组合轴力（kN）恒×1+活×1-12360.81原始拱圈截面的腹板厚10cm，腹板高110cm，高厚比为11。选取腹板厚度为5cm、6cm、8cm进行计算，荷载参数不变，计算后得到的结果如图3-2和表3-2所示。a）腹板厚5cmb）腹板厚6cmc）腹板厚8cmd）腹板厚10cm图3-2腹板局部稳定分析结果表3-2腹板局部稳定分析结果表腹板厚（cm）56810腹板高厚比22.0018.3311.7511.00局部稳定系数7.0910.8717.5232.08由计算结果可得出以下结论：①当腹板高厚比由11增加至22时，局部稳定系数减少了77.8%。腹板厚度对局部稳定的影响很大。②局部失稳均发生在二阶模态或三阶模态下，一阶失稳均为整体失稳。可见在腹板取5~10cm间，控制设计的主要为结构的强度。总结，一般的混凝土箱拱截面设计腹板的厚度为12~15cm。而使用UHPC材料可以使腹板厚度减小至5cm，按理UHPC腹板厚度还可以继续减小，但随着腹板减小，结构安全的控制因素将由强度控制变为局部稳定控制。故在UHPC拱桥设计中，推荐UHPC拱圈截面腹板高厚比取值不超过20。1.1.2加劲措施拱桥朝着大跨径发展，随着拱桥跨径的增加，UHPC拱桥拱圈高度的增加，会引起局部稳定的问题。本节将分析两种加劲措施——增加纵向加劲和增加环肋[46]，对拱圈局部稳定的影响，得出加劲措施对局部稳定的改善规律，为以后的UHPC拱桥设计提供一些经验。钢桥中通过设置加劲来提高结构的局部稳定。而UHPC材料与钢的特性相似，故在UHPC拱圈中设置加劲来改善拱圈的局部稳定的方案具有可行性。方案考虑在腹板位置处设置纵向的加劲，钢结构规范里指出加劲设置的影响因素包括加劲的个数和加劲的高厚比。以下将分别针对两个影响因素对结构的加劲效果展开分析讨论。模型取前文有限元分析的5cm腹板厚的拱圈，力学边界条件如表3-1所示，拱脚处全固结。根据相关资料得出，加劲的厚度最小取值应与拱圈的腹板厚度相同，故分析时取加劲的厚度为5cm。首先分析加劲的个数对拱圈局部的稳定影响，如图3-3所示，对比分析采用了3种方案。分析所用节段和前文相同，仅增加腹板加劲的道数为1道、2道和3道。计算结果如表3-3所示。方案一方案二方案三图3-3三种方案的截面图（单位：cm）表3-3不同高厚比的屈曲模态图方案类型方案一方案二方案三屈曲模态图屈曲模态系数8.868.959.37由结果可以得出以下结论：①三种局部稳定失稳模态均发生在二阶模态下。方案一的局部稳定系数由不加劲情况下的7.09提高到了8.86，增加了24.9%。②方案一和方案二下的局部稳定系数差别很小，方案三相比方案一提高了5.8%。相比之下，方案一为最优的选择。在UHPC拱桥结构发生局部失稳时，可通过在腹板设置纵向加劲改善局部稳定，纵向加劲的道数推荐为1道，设置位置在腹板的中间。接下来分析加劲的高厚比对局部稳定带来的影响，由前文所述，分析时考虑加劲的道数为1道，设置加劲的截面如图3-4所示。对比分析采用了3种方案。分析所用节段和前文相同，只将设置高厚比为1:1、2:1、3:1。计算结果如表3-4所示。a）加劲高厚比1:1b）加劲高厚比2:1c）加劲高厚比3:1图3-4纵向不同高厚比截面示意（单位：cm）表3-4不同高厚比的屈曲模态图高厚比1:12:13:1屈曲模态图屈曲模态系数8.8611.451.92由计算结果可以得出以下结论：①加劲高厚比由1:1增加至2:1，局部稳定系数增加了29.2%。增加加劲的高厚比在一定范围内对拱圈局部稳定有改善作用。②高厚比为3:1时，加劲在结构失稳前发生了失稳，此时加劲设置无效。在UHPC拱桥结构发生局部失稳时，可通过在腹板处设置1道纵向加劲改善局部稳定，此时高厚比推荐值为1:1或2:1。接着分析另一种加劲措施——增加环肋对拱圈局部稳定的影响。环肋是一种类似横隔板的环向加劲的构造。其提供的刚度虽然较横隔板小，但其也能够提高构件的局部稳定性。以下将针对环肋设置的位置以及个数进行分析。分析时拟取环肋的截面，如图3-5所示。环肋的厚度最小取值应与拱圈的腹板厚度相同，故在分析时取环肋的厚度为5cm。分析节段与前文一样，边界条件和荷载设置相同。计算结果如表3-5所示。图3-5增加环肋后截面示意（单位：cm）表3-5增加环肋后局部稳定影响分析结果环肋位置不设环肋节段1/2节段1/3和2/3屈曲模态图屈曲模态系数7.097.157.16由计算的结果可得出以下结论：在节段1/2或在节段1/3和2/3处增加环肋加劲对拱圈局部稳定影响不大。在节段1/2处设置环肋仅比不设环肋下的局部稳定系数增加了0.8%。除拱上立柱下方需设置横隔板增加刚度外，在拱圈的其余地方按构造要求设置环向加劲即可。故在UHPC拱桥结构发生局部失稳时，不推荐采取增加环肋加劲的措施来提高拱圈的局部稳定。1.2接缝构造分析1.2.1接缝构造形式接缝是节段预制拼装UHPC拱桥的特殊构造，也是受力相对薄弱的环节，需要关注和分析。经过文献研究发现，目前国内外针对UHPC的接缝的研究大多集中在实验阶段，通过实验探究UHPC接缝的破坏形式和受力特点，还尚未和实际工程相结合起来，其有关构造设计方面的研究还较少。所以本节从设计的角度出发，去研究讨论UHPC接缝的构造形式和设计参数。目前有很多论文对预制拼装梁桥的接缝进行了研究，而对于拱桥的接缝的设计研究比较少。故在讨论UHPC节段预制拼装拱桥的接缝构造时，参考了预制拼装梁桥。桥梁接缝目前主要有三种方式：湿接缝﹑胶接缝、干接缝。湿接缝主要是在梁节段间现浇混凝土；胶接缝的关键是在节段间涂抹一层环氧树脂胶；干接缝是指仅利用预应力将两相邻节段。拱桥常用的接缝为湿接缝和胶接缝，对于使用干接缝的使用研究的少。拱桥属于主要为受压的结构，较大的轴力可以模拟预应力对梁的影响，故使拱桥节段之间使用干接缝有了可能性。常用的普通混凝土预制梁桥的接缝构造形式有斜接式、阶梯式、剪力键连接式和抗剪齿块式等四种。UHPC的接缝形式也与此类似。除此之外，张策[47]提出了适用于悬臂拼装工法构造简单的牛腿式接缝；陈彦羽[48]提出预制RPC梁段+抗剪齿块式接缝+高强螺栓连接的接缝形式。对于UHPC拱桥预制拼装，先试探性使用单个大健齿接缝、牛腿式接缝和平接缝三种接缝形式进行受力对比。如图3-6所示，单个大健齿接缝的接缝宽度为5cm，牛腿接缝的接缝宽度为5cm。图3-6接缝构造示意图在第2章里已对拱肋进行了分段，拱肋的分段见前文图2-1所示。接缝的模拟采用三维实体单元模拟，模型如图3-7所示。模型取第一段拱肋分段处左右共长6m的距离。模型均采用C3D8R六面体实体单元模拟，网格尺寸分两段控制，接缝附近的节段单元尺寸为2cm；其余的为5cm。模型左侧与参考点RP-1耦合，在该点上添加完全固定约束。模型右侧与RP-2进行运动耦合，在该点上添加内力边界条件。在Midas中提取第一拱肋节段右端的内力。在本节模型加载的力学边界条件如表3-6所示。图3-7接缝ABAQUS有限元计算模型图表3-6接缝Abaqus有限元计算模型力学边界表格荷载组合轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN*m）恒×1+活×1-11602.47-686.74-1550.91本模型模拟的接缝为干接缝。接触面的接触关系的模拟对计算有着较大的影响。接触属性的定义分为切向行为和法向行为：①切向行为定义为各向同性摩擦，UHPC之间的摩擦系数取推荐值0.6；接触面剪应力无限制，即接触面的相对错动的摩擦一直存在。最大弹性滑动位移设置为表面特征尺寸的1%，这是设置接触面相对滑动的大小。法向行为定义为“硬”接触，即接触面两个单元间距为零时，即百分百传递应力；允许接触后可再分离。接触主表面选择有着固定约束的节段一侧表面，从表面选择施加内力的节段一侧表面。计算结果如表3-7所示。表3-7接缝ABAQUS有限元计算结果类型单个大健齿接缝牛腿式接缝平接缝主拉应力云图主压应力云图剪应力云图由计算云图看出，使用单个大健齿接缝、牛腿式接缝和平接缝，最大主拉应力、最大主压应力和剪应力均在合理范围之内。除了主压应力，每种接缝均有轴力控制，相差不大。对于主拉应力和剪应力的对比，平接缝小于牛腿接缝，牛腿接缝小于单个大健齿接缝。平接缝只适用于理想状况下，真实施工中使用得很少，而大部分使用的是牛腿式接缝。为了进一步简化接缝处的构造，因此下文主要探讨牛腿式接缝在UHPC拱桥上的可适用性并对参数取值进行比选分析。1.2.2牛腿式接缝如图3-8所示，牛腿式接缝主要由3个因素影响[49-50]：倾角θ、接缝宽度a、牛腿高与梁高比h1/h。本节将采用Abaqus软件分别对三种因素进行数值分析比较，确定受力规律。首先对接缝宽度a进行比选，采用单一变量法，倾角θ为0°、牛腿高与梁高比h1/h为1/2。计算结果如表3-8所示。图3-8牛腿接缝示意图表3-8接缝宽度比选计算结果类型5cm10cm15cm主拉应力云图剪应力云图压应力云图由计算云图看出，当接缝宽度a从5cm增大至15cm时，接缝处的最大拉应力几乎没变化，最大值为2.2MPa，小于120MPa的UHPC材料极限抗拉强度的标准值6MPa，在合理范围内。剪应力和压应力也均在合理范围内，数值改变得不大，这是因为拱桥主要为受压的结构，压力大而剪力小，最大压应力主要由轴力控制。故在UHPC拱桥实际工程的计算中，推荐接缝宽度a满足构造和施工要求即可。接下来对接缝处倾角θ进行比选，同样采用单一变量法，接缝宽度a取5cm、牛腿高与梁高比h1/h为1/2。接缝处倾角θ分别取0°、30°、45°。计算结果如表3-9所示。表3-9接缝倾角比选计算结果类型0°30°45°主拉应力云图剪应力云图压应力云图由计算云图看出，当倾角变化至45°时，接缝处的最大拉应力增加了57%，最大拉应力为1.1MPa，小于120MPa的UHPC材料极限抗拉强度的标准值6MPa，剪应力在倾角度数增加的过程中不断增加，最大主压应力几乎没变化，所有的值均在合理范围内。经对比，倾角为0°时，受力性能更好。故在UHPC拱桥实际工程的计算中，推荐接缝处倾角度数设为0度。最后对牛腿高与梁高比h1/h进行比选，采用单一变量法，接缝宽度a取5cm、倾角θ取0°。牛腿高与梁高比分别取1/2，2/5，1/3。计算结果如表3-10所示。表3-10牛腿高与梁高比比选计算结果类型1/22/53/5主拉应力云图剪应力云图压应力云图由计算云图看出，当牛腿高与梁高比取2/5时，接缝处的最大拉应力较牛腿高与梁高比为1/2时有所减小，但最大拉应力为2MPa，在合理范围内。但剪应力和最大压应力数值变化较小。在UHPC拱桥实际工程的计算中，推荐牛腿高与梁高比小于1/2，这样可以对接缝处最大拉应力有改善作用。综合来说，考虑安全性，UHPC预制拼装拱桥常用的接缝还是应选择湿接缝或胶接缝，但使用干接缝具有一定的可行性。且本节对牛腿接缝的控制因素进行了建模分析比选，结论得到在满足接缝构造和施工要求的情况下，接缝宽度为5cm满足受拉和抗剪的受力要求，倾角0°比倾角30°和45°更合适，牛腿高与梁高比小于1/2对接缝处最大拉应力有改善作用。而拱桥主要为受压的结构，故不分析最大主压应力。1.3横隔板分析UHPC处于一种钢和普通混凝土之间材料，其强度也正好处于二者之间，那么UHPC拱桥的设计可以同时借鉴钢拱桥和混凝土拱桥的设计思路[51]。一般普通混凝土箱拱桥为了提高拱箱的抗扭能力，加强箱壁的局部稳定性，会在拱箱预制节段的端部，吊扣点处，以及拱上立柱下方设置横隔板。而对于钢箱梁来说，板厚较小，板的局部稳定问题和薄壁箱梁的扭转畸变问题突出。所以钢箱梁采用了密横隔板的设置，间距一般在2m~4m。密集的横隔板主要是约束顶板在车轮荷载下的变形；增强腹板的局部稳定性；增强腹板的抗剪性能；提高箱梁的空间受力性能。根据对钢和普通混凝土箱梁的分析，UHPC也同样需要设置横隔板。横隔板的刚度应该在钢和混凝土箱梁桥之间。由于UHPC材料使结构轻型化，拱上立柱下方结构复杂，导致拱上立柱下方的横隔板的设置会出现局部刚度失稳的问题，因此本节选取立柱下方拱圈内的横隔板进行分析，具体内容包括：（1）本桥为预制拼装结构，横隔板与拱圈的连接形式将直接影响施工效率。（2）拱上立柱下方处设置了两道横隔板，与拱圈的腹板形成了框架结构，用于承受拱上立柱传递下的荷载，导致立柱下方拱圈顶板的下缘将产生较大的拉应力。该部分拉应力大小与横隔板的间距和立柱下方拱圈顶板厚度有关。故接下来将从横隔板与拱圈的连接形式、横隔板的间距以及拱上立柱下方顶板局部加厚三个方面分别进行分析研究。1.1.1横隔板的构造形式横隔板与拱圈的形式可设置为与拱圈垂直的形式，这样设置横隔板是便于工厂预制，也可设置为与拱上立柱平行的形式，这样设置传力路径更明确，如图3-9和图3-10所示。故针对这两种形式进行分析。图3-9横隔板与拱圈垂直设置图3-10横隔板与拱上立柱平行设置两种设置形式相比，采用横隔板与拱圈垂直设置的形式，其优点是：结构整体性好，对于预制拼装构件施工方便，模板容易制作，浇筑方便。采用横隔板与拱上立柱平行设置的形式，其优点是：传力路径明确，能有效传递拱上立柱的荷载；缺点是：预制构件时模板不便于制作，且可能由于施工误差导致施工完成后传力模式出现偏差，增加了施工难度。因此横隔板应选取与拱圈垂直设置的形式更合适。1.1.2横隔板间距由前文分析得，立柱传递给拱圈的荷载使立柱下方拱圈顶板的下缘将产生较大的拉应力，而该部分拉应力大小与横隔板的间距和立柱下方拱圈顶板厚度有关。本节将从横隔板的间距因素着手，采用单一变量法，拱上立柱下方的横隔板间距依次设置为50cm、70cm、90cm，分析立柱下方拱圈顶板下缘拉应力的变化规律。拱上立柱底部尺寸为0.8×0.9m，选取分析节段为靠近拱脚处第一个拱上立柱下方2.7m长的拱圈，模拟时忽略拱圈线形的影响，分析节段取为直线段。横隔板的尺寸如图3-11所示，厚度取6cm。模型图如图3-12所示，网格所有单元尺寸取2cm。模型左侧全固结，右侧与RP-2进行运动耦合，在该点上施加内力边界条件，在此仅考虑拱圈轴力的影响。在拱上立柱与横梁的位置施加内力边界条件，以面荷载的形式模拟，在本节模型加载的力学边界条件如表3-11所示。经过Abaqus建立实体模型计算，所得结果如表3-12所示。图3-11横隔板设计截面图图3-12横隔板节段模型图表3-11横隔板处计算模型力学边界表格位置荷载组合轴力（N）拱上立柱恒×1+活×11031850横系梁恒×1+活×1-54740.5RP1恒×1+活×1-11954042表3-12不同横隔板间距厚度下的计算结果图示横隔板间距50cm70cm90cmS11表3-13不同横隔板厚度下的计算结果表横隔板间距（cm）507090立柱下方顶板下缘拉应力（MPa）1.18.111.8通过计算云图可以得出以下结论：①横隔板间距的减小可以显著改善立柱下方拱圈下缘的主拉应力。②当横隔板间距从90cm减小至70cm时，主拉应力减少了31.3%，但间距从70m减至50cm时，主拉应力减少了61.7%，出现了较大的改变。由顶板上缘S11云图可得，横隔板间距为90cm时，立柱传递的荷载作用主要由立柱下方的拱圈承担，而间距为50cm时，立柱传递的荷载作用由立柱下方的拱圈和其他部分拱圈共同承担。故拱桥拱上立柱下方设置横隔板时，合适的横隔板间距会极力改善立柱下方拱圈下缘的主拉应力，推荐在满足施工条件下，本案例横隔板间距取50cm。1.1.3顶板加厚影响由前文可知，可通过改变横隔板的间距改善立柱下方拱圈顶板下缘的拉应力。本节将分析立柱下方拱圈顶板局部加厚对拱圈顶板下缘拉应力的变化规律。分析节段、荷载参数与边界条件均与前一小节相同。本节分析中，横隔板的间距取90cm，仅增加立柱下方拱圈顶板的厚度，顶板的厚度取值依次取为10cm、12cm、16cm。经过Abaqus建立实体模型计算，所得结果如表3-14所示。表3-14不同顶板厚度下的计算结果图顶板厚度10cm12cm16cm顶板增加2cm4cm8cm主拉应力云图表3-15不同顶板厚度下的计算结果顶板厚度（cm）8101216主拉应力（MPa）11.8710.559.156.08通过计算云图可以得出以下结论：①随着立柱下方拱圈顶板厚度的增加，横隔板的主拉应力逐渐减小。②当拱圈顶板局部增厚4cm时，主拉应力减小了22.9%。而拱圈顶板局部增厚8cm时，主拉应力减小了48.7%。这是因为拱圈顶板厚度增加，致使该处受压高度增加，主拉应力减小。故拱桥拱上立柱下方设置横隔板时，合适的增加局部顶板厚度会极力改善立柱下方拱圈下缘的主拉应力。普通混凝土拱圈的顶底板一般厚度为12~15cm，与分析结论类似，在立柱下方横隔板设置时，UHPC拱桥的拱圈顶底板厚应参考普通混凝土拱圈顶底板厚取值，推荐该处顶底板厚取12~15cm。综上所述，拱上立柱下方横隔板设计时，合适的横隔板间距和局部增加顶板厚度可改善立柱下方拱圈顶板下缘拉应力。横隔板的间距推荐50cm，立柱下方拱圈顶板厚度应按普通混凝土顶底板厚取值，推荐局部加厚至12~15cm。1.4拱脚受力分析由于本桥为无铰拱，作为一种超静定结构，结构受力复杂。拱脚处的轴力很大，拱圈截面过度有突变的话会引起应力集中的现象，往往控制设计。为了设计安全，常需将拱脚处的截面加厚，可使轴力产生的正应力沿拱轴方向保持均匀。截面加厚的方式分为等宽度变厚，等厚度变宽，也有仅改变腹板或顶板厚度的方法。由于本桥采用预制拼装的施工方法，等宽度变厚和等厚度变宽两种方法不利于工厂制造。故考虑采用顶板加厚的方式增加拱脚的截面积。如图3-13所示，拱脚处需要进行局部加厚，控制设计因素包括有截面变化段长度L以及变化后拱脚处截面顶底板厚t2。本节将通过Abaqus对变化段长度L和拱脚处截面尺寸进行参数比选分析，从而得出控制设计的一般规律，进而得到结构内应力分布状况，检验设计的安全性与合理性，为工程设计与施工提供合理的依据。在比选时候，均采用相同的荷载参数，进行单一变量法分析。有限元模型取从拱脚起沿顺桥向约6m长的节段。从整体计算模型里提取力学边界条件，如表3-16所示。边界约束为将拱脚截面全固结模拟。图3-13截面尺寸图表3-16