颜燕祥

(湖北工程学院 土木工程学院，湖北 孝感 432000)



新型空腹刚构桥空腹区合理夹角的数值模拟

颜燕祥

(湖北工程学院 土木工程学院，湖北 孝感 432000)

新型空腹刚构桥是近年来由中交第二公路勘察设计研究院提出并申请专利的一种新桥型。空腹区下弦杆与桥墩间夹角α的取值，对墩、梁固结处的应力影响显著，对空腹区的受力性能影响较大。本文运用有限元软件ANSYS，对贵州北盘江特大桥空腹区的合理夹角选取进行数值模拟，并对空腹区主要构件的受力及合拢点挠度进行对比分析。研究结果表明，该桥型下弦杆与桥墩间夹角α取53°～60°时，空腹区的综合力学性能指标相对较好，合拢点挠度亦最小。

空腹刚构桥；空腹区夹角；数值模拟；受力分析

新型空腹式刚构桥，是近年来中交第二公路勘察设计研究院提出并申请专利的一种新型的刚构桥。与一般开孔桥相比，新型空腹刚构桥空腹部分开孔高度大、下弦杆较长；通过在箱梁根部附近设置斜腿，加大了根部区域的结构刚度。作为墩梁固结的连续结构之一，新型空腹刚构桥能够利用高墩的柔性适应由于预应力、温度变化、混凝土收缩、徐变等引起的内力与变形。新型空腹式刚构桥的空腹区兼具梁与拱的特点和优势,呈现出良好的力学性能[1]。此外，它具有与常规刚构桥相似的平衡悬臂施工特点，其运营维护费用少、工程造价低。新型空腹刚构桥的研究和应用，填补了加筋混凝土桥梁跨度在普通刚构桥(<220 m)和斜拉桥(>320 m)之间的空白，为山区公路桥梁建设增添了一种新途径，具有广阔的发展空间和应用前景[1]。

目前，一些学者对新型空腹式刚构桥的施工过程受力分析[2]、设计参数影响和优化[1，3]和抗震性能评价[4]等方面开展了少量研究，取得了初步的研究成果。研究表明，空腹式刚构桥空腹区下弦杆与桥墩间夹角的取值对墩、梁固结处的应力[1，3]影响显著，对空腹区的力学性能影响较大；空腹区合拢点的挠度对该夹角变化敏感。因此，空腹区夹角的取值问题，对整座桥梁的安全和结构优化设计具有显著的影响。为此，本文以贵州北盘江特大桥工程为依托，选取空腹区不同夹角合拢时施工过程中空腹区的受力与合拢点挠度为判别依据，运用大型有限元分析软件ANSYS，对新型空腹刚构桥的夹角取值问题进行优化研究，提出该类桥空腹区夹角的合理取值范围，为新型空腹式刚构桥的工程设计提供参考，有助于其推广应用。

1 工程背景

中交第二公路勘察设计研究院设计的贵州省北盘江大桥(如图1所示)是国内第一座引入空腹式刚构桥设计理念的特型大桥，它位于贵州省六盘水市水城县发耳镇和营盘乡交界处，北盘江为其界河，桥址水城岸(北岸)属于发耳镇跃进村石板寨，盘县岸(南岸)属于营盘乡红德村。北盘江大桥起点桩号K30+747.5，终点桩号K32+002.5，全桥长1261米。桥跨布置为(5×30 m)+(82.5 m+220 m+290 m+220 m+82.5 m)+(3×30 m)+(4×30 m)，其中主桥为82.5 m+220 m+290 m+220 m+82.5 m的预应力混凝土空腹连续刚构形式。

图1 北盘江大桥示意图

2 空腹区数值建模

依据该桥设计方案，空腹区上弦杆(箱梁)为变截面，下弦杆(箱梁)采用等截面。数值模拟软件选用ANSYS，单元采用beam189单元[5-6]，建立空间变截面梁单元模型。数值建模流程如下：

1)自定义截面，根据桥梁节段施工的截面外形，通过命令流建立截面数据库文件；

2)划分面单元网格；

3)读取截面数据库文件，根据实际桥型，完成各个梁截面ID空间位置的定义。

根据上述步骤，建立北盘江特大桥7号墩(即图1中墩高最高的桥墩)空腹区半边结构的有限元模型(见图3)。

Beam189是七自由度(分别为UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ和翘曲自由度)三节点高次梁单元，选取该单元模拟实际箱梁结构即节约内存减少计算机运行时间，又可提高计算精度。超级梁单元的单元矩阵如式(1)所示。

(1)

考虑到空腹刚构桥空腹区在悬臂施工态时的受力较成桥状态更为不利，本文选取该桥悬臂施工态时空腹区的受力和空腹区合拢点挠度作为判断合理夹角的依据，通过选取空腹区不同合拢点和空腹区开孔高度，实现下弦杆与桥墩间不同夹角的优选分析。

为方便建模和节约运算成本，建模分析时采用的基本假定如下：

1)利用对称性，取空腹区的半边结构分析；下弦杆线型采用以直代曲的方法；上、下弦杆截面形状和材料参数与设计一致。计算简图如图2所示。

图2 空腹区模型简化计算图

2)有限元单元采用空间梁单元(即ANSYS中beam189单元)，如图3所示。

图3 空腹区简化有限元模型

3)分析不同夹角空腹区力学性能时,各结构体系结构尺寸、材料及荷载标准均相同；空腹区合拢后主梁后浇段和挂篮自重以集中荷载(集中力和集中弯矩)形式施加在合拢点处。

4)依据北盘江特大桥7号桥墩空腹区的具体情况，采用两类分析模型模拟夹角α的最优取值。一是控制空腹区的开孔高度不变(分别取33 m、30.75 m、29 m、27 m)，改变空腹区水平段长度；二是保持空腹区水平段长度不变(分别取 56 m、45 m)，改变空腹区的开孔高度。

3 结果及分析

表1和表2分别为典型的控制空腹区开孔高度(30.75 m)和控制空腹区水平段长度(45 m)不变条件下，不同空腹区合拢夹角时，空腹区杆件内力以及合拢点挠度的计算结果。由表1可知，空腹区各杆件内力响应对空腹区夹角α的变化较为敏感。当固定空腹区开孔高度时，下弦杆根部最大压应力、杆件最大拉应力和合拢点最大挠度均随合拢夹角(34.33°～63.62°)增大而逐渐增大，但当夹角为55.63°时最大拉应力及合拢点最大挠度出现明显陡降，而压应力变化不明显。最大压应力位置由箱梁底面与墩固结处，最大拉应力位置则由上弦箱梁底板处变为顶板处。由表2可知，当固定空腹区水平段长度时，下弦杆最大压应力、杆件最大拉应力和合拢点最大挠度均随合拢时夹角(45°～65°)增加而不断增大。最大压应力与最大拉应力出现的位置保持不变，分别为下弦杆底板与墩固结处和下弦杆顶板与墩固结处。

表1 空腹区开孔高度为 30.75 m时计算结果

图4、图5、图6分别绘制了空腹区不同开孔高度时下弦杆根部最大压应力、杆件最大拉应力和合拢点最大挠度随合拢夹角α的变化曲线图。从图中可以看出，在不同刚构桥空腹区开孔高度条件下，杆件极值应力和合拢点挠度随合拢点夹角变化规律大致相同。下弦杆极值压应力呈逐渐增加趋势，在53°～60°范围内出现小幅度下降，但变化不明显。而杆件极值拉应力和合拢点最大挠度在该范围内均出现明显陡降，对于不同空腹区开孔高度，陡降时角度略有不同，且随开孔高度增大而逐渐减小。

同理分析当空腹区开孔高度一定时，下弦杆根部最大压应力、杆件最大拉应力和合拢点最大挠度随合拢夹角的变化规律。由变化规律可知，当空腹区水平段长度为45 m时，杆件极值应力和合拢点最大挠度对合拢点夹角变化均不明显。当空腹区水平段长度为56 m时，杆件极值应力和合拢点最大挠度均随合拢点夹角增加而不断增大，且当夹角大于65°时，增幅特别明显。当水平段长度分别为45 m和56 m时，下弦杆极值压应力随夹角在50°～60°范围内相差不大。而拉应力和合拢点最大挠度对空腹区水平段长度变化较为敏感。因此，为了使空腹区综合力学性能较好，空腹区水平段长度不宜过大，空腹区夹角宜为50°～60°。

表2 空腹区水平段长度为 45 m时计算结果

图4 不同空腹区开孔高度时压应力最大值随夹角α的变化曲线图

图5 不同空腹区开孔高度时拉应力最大值随夹角α的变化曲线图

图6 不同空腹区开孔高度时合拢点挠度最大值随夹角α的变化曲线图

4 结论

运用有限元分析软件ANSYS，对新型空腹刚构桥空腹区合理夹角选取进行了数值模拟，着重分析了不同空腹区开孔高度和不同空腹区水平段长度时空腹区下弦杆最大压应力、杆件最大拉应力和合拢点最大挠度随合拢夹角α的变化规律，得出主要结论如下：

(1)高墩空腹刚构桥空腹区的下弦杆压应力、杆件拉应力和合拢点挠度随空腹区夹角α增大而逐渐增大。杆件拉应力和合拢点挠度在53°～60°范围内出现明显陡降，且陡降时角度随开孔高度增大而逐渐减小；压应力变化幅度则不明显。

(2)空腹区水平段长度变化对空腹区拉应力和合拢点最大挠度影响较大，而对下弦杆最大压应力影响则较小。

(3)空腹区下弦与墩之间的夹角α取值为53°～60°时，空腹区综合力学性能较好。

(4)空腹区应力最危险位置为上弦与墩固结处、下弦根部和墩固结处及上下弦杆合拢点处，施工过程中应重点对该局部区域的应力进行监测，保证空腹区在施工和运营过程中不至发生破坏。

[1] 颜燕祥.大型桥梁结构基于ANSYS的优化分析与数值模拟[D].武汉：华中科技大学，2013.

[2] 韩红举.290m空腹式刚构桥三角区箱梁施工支架受力分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2011,30(3)：361-365.

[3] 卢斌，王凯华，李高超，等.设计参数对空腹式连续刚构桥关键截面内力的影响[J].公路交通科技，2014,31(12)：73-77.

[4] 房慧明，龙晓鸿，樊剑，等.空腹式连续刚构桥抗震性能评价[J].武汉理工大学学报，2013，35(7)：89-93.

[5] Song H W, You D W, Byun K J, et al. Finite element failure analysis of reinforced concrete T-girder bridges [J].Computers and Structures,2002,24(2):151-162.

[6] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.

(责任编辑：熊文涛)

Numerical Simulation of Reasonable Angle of New Open-web Continuous Rigid Frame Bridge

Yan Yanxiang

(SchoolofCivilEngineering,HubeiEngineeringUniversity，Xiaogan，Hubei432000，China)

A type of new open-web continuous rigid frame bridge, has been proposed and applied for patent by CCCC Second Highway Consultants Co.Ltd in recent years. For open-web region, the angle α between its lower chord and pier has a significant impact on the stress of zoon and mechanical property of open-web region. In this paper, different angles of open-web region for bridge closure process are simulated based on Guizhou Beipanjiang Bridge, using ANSYS software, and the force and deformation of the major components of open-web region are contrasted and analyzed. The results show that mechanical performance of hollow region is relatively good and deflection of closure point is relative minimum when the angle α is among 53 ° to 60 ° for this type of bridge.

open-web continuous rigid frame bridge；the angle of open-web region；numerical simulation；mechanical analysis

2016-08-11

颜燕祥(1985- )，男，湖北大悟人，湖北工程学院土木工程学院讲师，武汉大学博士研究生。

U445

A

2095-4824(2016)06-0082-05