凌青松

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京　102600)

The Space Simulation Analysis of Simply-Supported T Beam Bridge with Continuous Slab-Deck Structure Based on ANSYS

LING Qingsong

基于ANSYS的簡支T梁橋橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的空間仿真分析

凌青松

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京102600)

The Space Simulation Analysis of Simply-Supported T Beam Bridge with Continuous Slab-Deck Structure Based on ANSYS

LING Qingsong

摘要根據(jù)有限元理論，借助ANSYS大型有限元軟件模擬簡支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在不同荷載工況作用下的應(yīng)力狀況，通過參數(shù)的敏感性分析研究影響橋面連續(xù)端受力的因素并提出相關(guān)的改善措施。

關(guān)鍵詞簡支T梁橋橋面連續(xù)應(yīng)力分析ANSYS

橋面連續(xù)簡支梁橋具有簡支梁橋的力學(xué)特性，又能為車輛提供連續(xù)的行車道，發(fā)揮了連續(xù)梁橋的優(yōu)越性，在國內(nèi)外中、小跨徑梁橋中都得到了廣泛的應(yīng)用。但因橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)位于簡支梁主梁變形的最大部位，以及因橡膠支座彈性壓縮不同步引起相鄰橋孔的錯動變形，導(dǎo)致橋面連續(xù)縫結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜，梁端橋面連續(xù)構(gòu)造的鋪裝層在遠沒有達到設(shè)計使用壽命時就產(chǎn)生了早期破壞，影響到橋梁結(jié)構(gòu)本身的使用壽命。以某橋面連續(xù)簡支T梁橋為例，將簡支T梁實橋原型截面按照一定的相似比縮放得到計算模型，借助ANSYS大型有限元軟件進行建模仿真計算，分別研究簡支T梁橋梁端橋面連續(xù)構(gòu)造在不同荷載工況下的應(yīng)力狀況及影響因素。

1工程背景簡況

以某梁式橋加固改造工程為研究背景，該橋是一座6×16 m T形公路簡支梁橋，橋面寬度為2×4.5 m，橋跨橫斷面由7片T形梁組成，T梁橫向中距1.6 m，T梁截面寬1.6 m，高1.3 m，腹板厚為30～18 cm。該橋設(shè)計為標準16 m鋼筋混凝土簡支T梁，橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)，全橋采用三跨一聯(lián)，共兩聯(lián)。本橋設(shè)計荷載等級為公路Ⅰ級，溫度變化為±20 ℃。主梁及橋面鋪裝均采用C40強度等級混凝土。為了縮減ANSYS程序分析計算時間，將實橋原型單片T梁截面按1∶2.5比尺縮放，長度方向取1.2 m。模型及支座示意如圖1。

圖1　兩跨單片T梁模型及支座設(shè)置示意

2單元和材料的選擇及模型的建立

T梁整體采用Solid45混凝土實體單元，但在橋面連續(xù)縫處取1 m長的加強區(qū)段(包括橋面鋪裝層)采用Solid65鋼筋混凝土實體單元，鋼筋采用Link8桿單元，網(wǎng)格劃分方式采用六面體映射網(wǎng)格，通過lesize、esize命令對模型的單元尺寸進行控制，得到符合要求的有限元模型。建模所用的材料屬性見表1。

表1　建模所用的材料屬性

3各荷載工況及影響因素下的仿真計算分析

對不同的荷載工況和影響因素分別進行線性和非線性分析。荷載主要考慮汽車活載、整體溫降20 ℃、整體溫升20 ℃三個單項荷載及其組合工況。最不利狀況是將以上單項荷載工況進行組合，其中各單項荷載的荷載效應(yīng)分項系數(shù)均取1。橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)受力影響因素主要有：(1)橋面鋪裝層的厚度；(2)橋面鋪裝層的彈性模量；(3)環(huán)境溫度變化；(4)各種梁型結(jié)構(gòu)(箱梁、T梁、板梁)。以下只討論T梁。

3.1　各荷載工況對結(jié)構(gòu)受力的影響分析

(1)溫度變化

通過簡支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在溫降20 ℃工況計算可知，溫降情況下，其結(jié)構(gòu)變形處于近似對稱狀態(tài)。通過梁端橋面連續(xù)順橋向應(yīng)力SZ數(shù)據(jù)可知，最大拉應(yīng)力為0.359 MPa，通過最大壓應(yīng)力為-0.474 MPa。簡支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在溫升20 ℃工況計算可知，在升溫的工況下，梁體向上拱起。從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其橋面連續(xù)端由于梁體上拱產(chǎn)生壓應(yīng)力，橋面連續(xù)端所受的應(yīng)力全為壓應(yīng)力，其最大壓應(yīng)力為4.092 MPa，最小壓應(yīng)力為1.695 MPa。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的抗壓性能，但其在發(fā)生破壞的時候一般都是由于承受了過大的拉應(yīng)力作用。所以，在溫升20 ℃工況對橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的破壞作用不大，可以不用考慮，在后面的影響因素分析中不考慮升溫工況對結(jié)構(gòu)的影響。

(2)汽車活載

通過對簡支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)最不利荷載位置進行汽車活載的時程加載，對結(jié)構(gòu)模型進行非線性計算。通過外荷載的施加可以看出，其橋面連續(xù)段處均受拉應(yīng)力，簡支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞一般都是受到拉應(yīng)力作用，混凝土具有良好的抗壓性能。經(jīng)過計算，其橋面連續(xù)端的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力為1.138 MPa，最小拉應(yīng)力為0.880 MPa。

(3)組合工況

結(jié)構(gòu)在實際運營中，不會只是受到某一獨立的荷載工況的作用，都會是在多種荷載工況組合下工作，如：溫度變化+汽車活載、收縮徐變+汽車活載、汽車制動+汽車活載、還有溫度變化+汽車活載+收縮徐變等，諸如此類的荷載組合還有很多。在實際的研究分析中很難去分析收縮徐變在汽車荷載作用的同時對結(jié)構(gòu)的作用，分析較多的還是溫度與荷載的組合作用。本文中主要研究簡支T梁橋梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在汽車活載+溫度變化(升、降溫)組合工況下的受力分析。

在溫降20 ℃+活載最不利加載工況中，橋面連續(xù)端所受應(yīng)力波動較大且其產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；而在溫升20 ℃+活載最不利加載工況中，橋面連續(xù)端所受的應(yīng)力波動較小且其數(shù)據(jù)曲線大部分都在前者之下且其所受的應(yīng)力全為壓應(yīng)力。以上比較圖更說明溫降20 ℃+活載最不利加載工況在組合工況中更為不利。

(4)結(jié)構(gòu)線性分析與非線性分析比較

橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在實際工程中基于線彈性的理論分析未能真實反映砼的實際受力特征，因此，需要進一步作非線性分析，即考慮材料的非線性行為。筆者通過ANSYS有限元軟件對橋面連續(xù)端的受力進行了線性與非線性的計算并將其結(jié)果進行比較，計算結(jié)果如表2所示。

表2　結(jié)構(gòu)線性與非線性分析結(jié)果比較　MPa

從表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，線性分析結(jié)果與非線性結(jié)果存在較大的區(qū)別，在溫降20 ℃與溫升20 ℃+活載最不利加載的工況中，分析結(jié)果差異表現(xiàn)得更明顯。出現(xiàn)此情況是由于在結(jié)構(gòu)的分析中隨著受力的進行，結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形以及裂縫甚至開裂等情況，使結(jié)構(gòu)的剛度下降，從而使其結(jié)構(gòu)在荷載作用下的非線性計算比線性計算的應(yīng)力結(jié)果要小。實際工程中，若是只是做一個初步計算，可以利用線性計算得出大致的受力情況，但在對計算精度有較高要求的情況下，則需要利用非線性分析。

梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)位于主梁體變形的最大部位，梁端橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在使用中主要受到動載疲勞與溫度變化應(yīng)力的影響，使其砼容易被拉裂，進而易導(dǎo)致橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)早期破壞，嚴重影響到橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.2　各影響因素對橋面連續(xù)端受力的影響

橋面鋪裝層主要參數(shù)包括鋪裝層的厚度與鋪裝層材料的彈性模量，主要考慮這兩個參數(shù)的變化，針對橋面鋪裝的材料(混凝土等級)、橋面鋪裝的厚度、橋面鋪裝在汽車活載最不利加載工況下橋面連續(xù)縫處鋪裝層應(yīng)力進行線性和非線性計算并作比較分析。

(1)不同彈性模量橋面鋪裝的橋面連續(xù)端應(yīng)力分析

分別對C35、C40、C45等級混凝土的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進行計算分析。

計算結(jié)果表明，橋面鋪裝層彈性模量的改變對鋪裝層的受力影響很大。隨著鋪裝層彈性模量的增大，與梁體頂板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中所占的剛度越來越大，使得橋面鋪裝在復(fù)合結(jié)構(gòu)中承受更多的荷載分布。隨著橋面鋪裝層彈性模量的增大，橋面連續(xù)鋪裝層最大應(yīng)力也呈線性增長趨勢。在實際的設(shè)計中不可能取無限小彈性模量的鋪裝層，因為結(jié)構(gòu)設(shè)計還需要滿足自身的抗彎、抗扭等要求，而是在設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定下取較小值來做設(shè)計。建議在橋面連續(xù)鋪裝時，采用彈性模量較低的瀝青混凝土或低彈性模量的改性環(huán)氧砼，并且應(yīng)采用特殊結(jié)構(gòu)來加強鋪裝層的強度。

(2)不同鋪裝厚度橋面連續(xù)端的應(yīng)力分析

對實橋T梁原型的橋面鋪裝設(shè)計成不同厚度(8～14 cm)，這里對應(yīng)計算模型梁的鋪裝厚度取3.5 cm、4 cm、4.8 cm、5.6 cm四種情況。

通過計算分析可知，隨著橋面鋪裝厚度的增大，橋面連續(xù)端的整體應(yīng)力變化不大，明確顯示出隨著橋面鋪裝厚度的增大，橋面連續(xù)端的順橋向最大拉應(yīng)力最大值在減小，這主要是因為隨著橋面鋪裝厚度的增大，其在與頂板形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中所占的剛度越來越大，使得橋面鋪裝的最大拉應(yīng)變越來越小，從而使其拉應(yīng)力減小。在實際設(shè)計中，隨著橋面鋪裝厚度的增大，其自身的重量也必然增加，從而增大了橋梁本身的負荷，所以橋面鋪裝厚度的設(shè)計應(yīng)在滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定下取較大值。

4結(jié)論

(1)簡支T型梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在單一荷載作用工況中，溫降20 ℃時橋面連續(xù)端產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，對結(jié)構(gòu)有一定的累積損傷作用；而在溫升20℃時橋面連續(xù)端產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，對結(jié)構(gòu)沒有破壞作用；汽車活載的最不利加載工況產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力作用，對結(jié)構(gòu)的破壞起主要的作用。

(2)在溫升、溫降與汽車活載加載的組合工況中，對橋面連續(xù)端產(chǎn)生的拉應(yīng)力較之最不利活載都會有一定的減小。且相對來說，溫降20℃+汽車活載加載產(chǎn)生了較不利的作用。

(3)在通過應(yīng)力對橋面鋪裝參數(shù)的敏感性分析中，橋面連續(xù)端的順橋向拉應(yīng)力隨彈性模量的增大而增大，隨著橋面鋪裝厚度的增大而減小。建議在橋面連續(xù)鋪裝時，采用彈性模量較低的瀝青混凝土或低彈性模量的改性環(huán)氧砼，并且應(yīng)采用特殊結(jié)構(gòu)來加強鋪裝層的強度，橋面鋪裝厚度的設(shè)計應(yīng)在滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定下取較大值。

(4)在對有限元模型線性分析與非線性分析結(jié)果的比較中，橋面連續(xù)端所受到的應(yīng)力最大值存在較大的差異。在工程中若對該結(jié)構(gòu)做個大概的受力估算可以通過簡單的線性分析來實現(xiàn)，要想得到較精確的受力情況還需要通過非線性分析來實現(xiàn)。

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中圖分類號：U448.21+7； U441+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0079-03

作者簡介：凌青松(1987—)，男，碩士。

收稿日期：2015-05-06