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不对称预应力混凝土刚构桥静力数值分析

更新时间:2009-03-28

0 引言

由于连续刚构桥具有跨距较大、施工简易、成本较低等特征,故广泛运用于山区公路工程建设[1-3]。为保证连续刚构桥受力均匀合理,通常其桥跨采用对称布置,然而在地形、通航等条件限制严重的地区,不对称连续刚构桥被广泛采用[4,5]。连续刚构桥的不对称性对结构影响更为复杂,其各因素对主梁内力、变形的影响必然与对称结构存在一定差异[6,7]。近年来,国内学者在对称刚构方面已取得许多研究成果,但对于不对称连续刚构桥研究鲜少[8]。基于此,本文以某三跨不对称预应力混凝土连续刚构桥为背景,运用Midas/Civil有限元软件建立全桥三维模型,针对不对称连续刚构桥进行静力分析,研究结果可为同类桥梁的施工及设计提供理论依据。

化石燃料的大量使用产生的CO2等温室气体随意排放,造成的全球变暖严重影响到了地球的生态环境和全球气候[1-2]。研究CO2减排对全球各国具有紧迫而重要的意义。

波纹管的波纹结构有采用2个不同圆弧段和分别采用圆弧段、平直段2种方式。目前应用较多的是圆弧段与平直段相接的方式。文中即模拟圆弧与平直段相接的波纹管,并认为圆管内充满流动的流体,具体物理模型如图1所示。模型长度为180mm,直径为20mm。流体由左侧流入波纹管,由于流动为单相流动,不考虑重力对流动的影响。

1 工程概况

依托某三跨不对称预应力混凝土连续刚构桥为工程背景,桥梁跨径布置为41 m+149 m+90 m,全桥为直线桥梁,主梁为单箱单室截面箱梁,其根部梁高10 m,跨中及边跨合拢段梁高3.5 m,梁截面顶板宽9 m,底板宽5.5 m,箱梁根部至跨中梁底均按1.5次抛物线变化。连续刚构桥的合拢段采取顶推施工,桥墩均采用柔性实心墩,其中1号墩墩高16.5 m,2号墩墩高24.5 m。全桥整体布置及箱梁截面如图1所示。

  

图1 全桥及箱梁截面布置示意(单位:cm)

2 模型建立

运用Midas/Civil软件建立桥梁三维有限元模型,主梁和桥墩均采用梁单元,桥梁计算模型具体如图2所示。模型坐标系中X、Y、Z分别表示桥梁的纵向、横向、竖向,原点O设置于0号桥台处的梁端。根据实际施工节段将主梁划分成82个单元,两承台均划分成2个单元,而1~2号桥墩分别划分成16、24个单元。模型中1、2号桥墩与主梁、承台均采用刚臂连接,承台底部采用固结连接,0、3号桥台的Y、Z方向进行约束。计算过程中材料参数如表1、表2所示,而荷载参数取值为:

1)二期恒载:改性聚丙烯纤维微膨胀砼容重26 kN/m3,厚度8 cm;沥青混凝土容重24 kN/m3,厚度6 cm;人行道单侧每延米重12 kN/m。

党的十九大报告中指出,统筹山水林田湖草系统治理,实行最严格的生态环境保护制度。加强对生态文明建设的总体设计和组织领导,设立国有自然资源资产管理和自然生态监管机构,完善生态环境管理制度,统一行使全民所有自然资源资产所有者职责。

通过对收缩徐变作用下箱梁的应力进行数值模拟,获得成桥初期、3 a以及10 a各跨上缘应力结果如表5和图8所示。

3)系统温度:整体升降温均取20 ℃。

4)收缩徐变:湿度取多年平均的70%;混凝土初始龄期与收缩时间分别为5 d、3 d;考虑成桥后3 a、10 a期间混凝土的收缩徐变效应。

模型3:由于爆轰产物的爆热难以估算,为此,模型3考虑用动量守恒的方法,建立第1阶段的速度v0计算模型。

  

图2 桥梁三维有限元模型

  

表1 混凝土计算参数类别强度弹性模量/(104MPa)容重/(kN·m-3)箱梁C503.4526桥墩C403.2526承台C353.1526线膨胀系数/10-5fck/MPaftk/MPa122.4(32.4)1.83(2.65)118.4(26.8)1.65(2.4)116.1(23.4)1.52(2.2)注:括号内外分别为标准值和设计值。

  

表2 预应力钢筋ϕ15.2计算参数弹性模量/MPa容重/(kN·m-3)线膨胀系数fptk/MPa松弛系数孔道系数偏差摩擦1.95×10578.51.2×10-518600.30.00150.15

3 位移结果及分析

3.1 主梁竖向位移

通过对恒载作用下桥梁施工阶段最大悬臂状态和成桥初期、3 a以及10 a的竖向位移进行模拟计算,得出计算结果如图3和表3所示。

  

图3 桥梁结构竖向位移图(单位:mm)

  

表3 成桥后各跨中主梁的竖向位移mm位置竖向位移成桥初期成桥3a成桥10a左边跨跨中-5.44-6.36-6.9中跨跨中-93.55-101.64-107.4右边跨跨中-7.44-7.07-7.26

根据图3可知,当桥梁处于施工阶段最大悬臂状态时,小T构主梁左右两侧在恒载作用下的最大竖向位移值分别为-5.94、15.45 mm,其中左侧位移出现较小下沉是由于靠近0号桥台侧的箱梁为抗弯强度较强的现浇段,而右侧由于小T构结构不对称,其竖向位移在左侧现浇段预应力与自重的综合作用产生上拱变化;而大T构由于左右两侧的竖向位移均有明显的下降变化,且由于结构对称其位移趋势大致相似,两者最大值分别为-45.41、-46.78 mm。当处于成桥初期时,小 T 构在恒载作用下产生的位移较小,其中在跨中附近的箱梁节段出现最大竖向位移,值为7.6 mm;而大 T构两侧的竖向位移同样出现较大程度下降,其值分别为-92.98、-70.75 mm。

综合表3和图4可知,该桥梁中跨和1、2号墩顶的竖向位移受结构收缩徐变的影响较为显著;而两侧边墩的竖向位移无明显变化,故结构收缩徐变对其影响较小。在成桥初期至3 a期间内,主梁下挠幅度较大,结构收缩徐变影响明显,而成桥后3 a至10 a期间,主梁下挠幅度明显有所减小,说明桥梁基本完成收缩徐变。

  

图4 收缩徐变下主梁竖向位移变化曲线

3.2 墩顶水平位移

本文进一步分析了出错的数据帧中,帧内字节出错的比例以及出错位置.图3是40MHz带宽时数据帧内字节出错比例的均值和方差.可以看到对不同的FA长度,所有MCS 的帧内字节出错比例平均值在10%以下,只有MCS12在FA为32时稍高一点,不到11%.方差大部分在1左右,最大不过4.5.带宽20MHz的结果和此一致.这说明帧内出错的字节数很少,采用FEC编码纠错是可行的,而且会比较高效.

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表4 墩顶水平方向位移mm阶段1号墩2号墩左肢右肢左肢右肢边跨合拢-1.88-2.45-0.23-2.00顶推-5.90-6.476.754.51中跨合拢3.973.55-7.91-10.08二期荷载5.224.61-9.07-11.62成桥3a15.0114.04-22.43-25.68成桥10a20.5119.31-29.77-33.50

根据表4可知,1、2号桥墩顶的水平位移在边跨合拢阶段均有小幅度变化,其中1号墩墩顶右肢水平位移略大于左肢,其原因为其右侧箱梁的重量较左侧现浇段要小,桥墩基本仍处于竖直状态;而2号桥墩墩顶由于左侧悬臂箱梁存有一定程度的下挠,导致其向河心产生位移。在顶推力为900 kN时,1、2号桥墩顶左肢的水平位移均较小,其值分别为-5.90、6.75 mm,其因为该桥桥墩高度较小,抗推刚度比较明显。当中跨合拢后,两桥墩的水平位移在抗推刚度与大、小T构共同作用下逐渐向跨中靠拢。成桥后两桥墩顶的水平位移在收缩徐变作用下均向河心增大发展,其中成桥初期至3 a内墩顶的水平位移增幅最为明显,1、2号墩左肢分别增加了9.79、13.36 mm,说明收缩徐变对墩顶水平位移的影响随着时间的增加逐渐消弱。

4 应力结果及分析

4.1 施工阶段

1)连续刚构桥跨中、右侧桥台边跨合拢段位移有较为明显的下挠,故施工时需设置预拱度,以保证成桥线性满足设计要求;较于成桥后中跨的竖向位移变化,两边跨受收缩徐变影响均不明显;成桥前3 a混凝土收缩徐变对箱梁及墩顶的位移影响最大。

  

图5 施工阶段箱梁上缘正应力分布情况(单位:MPa)

  

图6 施工阶段箱梁下缘正应力分布情况(单位:MPa)

根据图5可知,在施工阶段中,0号桥台侧现浇段箱梁的上缘正应力表现最为明显,其最大值为1.61 MPa,由于结构拉应力较大,故施工过程中现浇段应采取满堂支架进行浇筑;施工阶段合拢中跨时箱梁出现上缘最小正应力,其值为16.9 MPa,此时顶推力及压重已完全撤离,拉、压应力都符合规范要求。由图6可知,在施工阶段中跨合拢过程中,靠近2号墩两侧箱梁出现最大下缘拉应力值1.47 MPa;而箱梁下缘的最小正应力值为14.55 MPa,各应力满足规范要求。

4.2 成桥阶段

通过对成桥初期恒载作用下的箱梁上下缘应力进行数值模拟,得出计算结果如图7所示。

由图7可知,箱梁的上缘应力在成桥时均处于受压状态,其最大压应力值为15.44 MPa,整个箱梁的应力分布除两端桥台节段外都较为均匀;成桥节段箱梁下缘应力最大值为12.97MPa,也处于受压状态,其压应力满足规范要求。

  

图7 成桥阶段箱梁应力分布(单位:MPa)

4.3 收缩徐变对应力的影响

2)温度梯度:按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004规定计算。

  

表5 成桥后各跨中上缘应力值MPa位置成桥初期成桥3a成桥10a左边跨跨中-12.40-12.00-11.80中跨跨中-10.20-9.75-9.58右边跨跨中-9.31-8.87-8.61

  

图8 收缩徐变作用下主梁上缘应力变化曲线

通过图8和表5可知, 整个桥梁的上缘应力变化只有中跨与2号桥墩附近较为明显;成桥10 a内主梁的上缘应力均表现为受压状态,其中靠近1、2号桥墩梁段和左现浇梁段的应力波动较大,其原因为此部分梁段受力较为复杂,且截面的抗弯刚度和形式变化都较大,同时受到桥墩与左侧支座的集中力作用,致使梁段的应力波动明显。箱梁上缘压应力随着时间的增加呈逐渐减小趋势,各中跨的应力减幅较其他部位更为明显。成桥初期至3 a内箱梁各跨中处上缘应力减幅较大,成桥10 a内上缘应力减幅变小。

综合表6和图9可知,成桥10 a内主梁的下缘应力均表现为受压状态,整体应力波动较小,其中左边跨合拢段、跨中和靠近1、2号墩梁段的应力有小幅度变化。随着时间的增长,靠近1、2号墩梁段的应力值逐渐增大,而左边跨合拢段和跨中梁段的应力值逐渐减小。成桥3 a内,箱梁下缘应力减幅相对较大,随后减幅变小。

  

表6 成桥后各跨中下缘应力值MPa位置成桥初期成桥3a成桥10a左边跨跨中-4.73-4.93-4.99中跨跨中-7.89-7.54-7.26右边跨跨中-9.17-9.18-9.18

  

图9 收缩徐变作用下主梁下缘应力变化曲线

5 结论

通过运用Midas/Civil有限元软件建立三维模型,针对某三跨不对称预应力混凝土连续刚构桥进行静力数值分析,得出以下结论:

通过对施工阶段混凝土箱梁进行有限元模拟计算,分别获得箱梁上下缘最大、最小正应力如图5、图6所示。

2)在施工过程中桥梁短期出现拉应力,但其

数值符合规范要求;成桥后桥梁应力表现为均匀受压状态;收缩徐变对箱梁应力的影响主要集中在成桥前3 a,且对箱梁上缘应力影响明显大于下缘应力。

通过对不同阶段墩顶进行有限元模拟计算,获得其水平方向位移结果如表4所示。

参考文献:

[3] 张静娟.大跨连续刚构桥地震反应分析[D].西安:西安建筑科技大学,2009.

美国对伊朗的制裁主要分为“初级制裁”和“次级制裁”。美国对伊制裁始于“初级制裁”且未曾间断,在加入《伊朗核协议》后绝大多数“次级制裁”曾被取消,但目前“次级制裁”已再次启动并得到了强化。“初级制裁”和“次级制裁”区别的关键在于相关行为是否同美国存在连接点(Nexus)。

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“你还想怎么复杂?”苏秋琴笑道,“烂眼阿根的死跟我有啥关系?我家的玉米地不遮不拦的,谁都可以死在那儿。”

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温度在膜蒸馏操作过程中是影响膜性能和热力学效应的一个重要参数[11]。提高料液温度增加了水分子的能量,增强了水蒸气扩散作用,因此增加了水的蒸发作用。研究料液进口温度对膜性能的影响,使其他条件不变(料液浓度2 mol/L;循环流量700 mL/min;冷侧冷却温度5 ℃),料液分别为NaCl溶液、KCl溶液、MgCl2 溶液时,控制料液的进口温度分别为30,40,50和60 ℃,进行实验。

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陈兵
《湖南交通科技》 2018年第01期
《湖南交通科技》2018年第01期文献

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