半整体式桥台桥梁合成梁式结点的受力性能研究

筋的自由通过,U形钢筋的数量根据台帽的主筋确定。在弧

形钢板的适当地方要设置剪力键,保证弧形钢板与主梁没有横桥向移动。剪力键的位置与数量可按组合结构剪力键的计算[3]确定。还要采取必要措施减少弧形钢板与钢管之间的摩擦力,如加润滑剂等。

3　合成梁式结点的受力性能分析

311有限元模型中的单元说明

本文采用大型通用结构分析程序ANSYS建立空间块体有限元模型进行分析。

在合成梁式结点有限元模型中,主梁、钢管、钢板、桥台、桩采用三维结构块体单元Solid73,该单元拥有8个结点,每个结点有六个自由度,采用该单元还可以读取各部位的应力分布情况和便于施加位移边界条件[4]。模型中的钢管和钢板结构块体之间的连接采用三维conta170目标面单元、con2

[4]

ta174四结点接触面单元。还采用在一维、二维或三维应用中有轴向拉压或扭转能力的弹簧单元COMBIN14来模拟桩—土之间的相互作用,忽略土的阻尼影响,这是目前常用的桩—土相互作用分析模型。土体弹簧刚度按文献[5]中的有关公式计算。

312结点受力分析的顺序和荷载工况

现以一个实桥为参考,按合成梁式结点建立无伸缩缝桥梁的有限元模型,选用的实桥为(10+14+10)m三跨钢筋混凝土连续板桥,板厚65cm,桥宽(7+2×0125)m,设计荷载为汽车-20级。对该模型进行节点受力分析的步骤如下:

1、建立全桥梁格体系的有限元模型,分析各种荷载工况下结点位置处的内力,得出最不利的荷载工况和对应的内力组合;

2、对应于最大的内力组合工况,建立结点的块体有限元模型,分析结点所产生的位移和应力;

3、考察在此工况下桩的应力分布状况,了解混凝土桩的开裂情况;

4、当结点应力较大,不能满足设计要求时,则修改结点尺寸,重新计算,直到满足对结点的设计和施工要求。

计算时的荷载工况为:工况一:自重荷载+汽车荷载;工况二:自重荷载+汽车荷载+温降20度+混凝土的收缩;工况三:自重荷载+汽车荷载+温升20度。其中汽车荷载都是按对结点受力最不利时进行布载。313结点的受力分析

由于合成梁式结点与固结结点的施工顺序不同,采用合成梁式结点的无伸缩缝桥梁其一期恒载对下部结构是有弯矩作用的[1]。根据上述三种工况,计算出三种工况下Ⅳ-Ⅳ截面(钢板相接触的钢管截面)的内力,计算结果如表1所示。结点详图如图3所示;截面位置图如图4所示,其中I-I截面表示块体模型的边界面,II-II截面表示台帽截取面,III-III截面表示主梁上靠近结点的截面,IV-IV截面表示与钢板相接触的钢管截面,2处表示II-II截面与台帽左边面交线的中点处。表1　合成梁式结点的IV-IV截面在各种工况下的内力值

荷载工况工况一工况二工况三

FX(kN)90164

FY(kN)

FZ(kN)

MX

MY

MZ92185

(kN m(kN m)(kN m)

图3　合成梁式结点详图

图4　合成梁式结点截面位置图

　　从表1可以看出,工况二,工况三产生的内力组合对结点

受力更不利,所以取这两个工况对结点进行受力分析。

取I-I截面左边结构建立结点的块体模型,I-I截面的位移为结点有限元块体结构的边界条件,把作用在全桥模型上的外荷载加在对应的位置上,分析混凝土桩的开裂状况,从ANSYS对结点的分析结果来看,不管是工况二还是工况三作用时,混凝土桩都没有开裂,反映混凝土桩基础的工作状况良好。

在工况二和工况三作用下,结点的工作情况如表2所示。

表2　结点的工作情况表

最大应力

(MPa)

最小应力

(MPa)

工作情况

支点截面产生4189MPa拉应力

和5197MPa的压应力,Ⅳ-Ⅳ截面产生3169MPa拉应力和3173MPa的压应力,Ⅲ-Ⅲ截面产生114MPa的拉应力和0199MPa的压应力。

支点截面产生3169MPa拉应力和4139MPa的压应力,Ⅳ-Ⅳ截面产生2133MPa拉应力和2154MPa的压应力,Ⅲ-Ⅲ截面产生018MPa的拉应力和116MPa的压应力。

工况二

4189-5197

工况三

3169-4139

2161910

2212129215551844318721429120103

20104010428154281532614024109

241094121

27061713518

　　从表2可以看出,合成梁方式结点在工况二和工况三作用下,在支点和Ⅳ-Ⅳ截面,用的是钢板和钢管,其抗拉和抗压应力是235MPa,远大于荷载产生的应力值,所以支点和Ⅳ-Ⅳ截面并不会破坏。在支点截面与搭板牛腿的交界处产生的最大拉应力为2141MPa,小于C50混凝土抗拉应力2145