花瓶式開口墩柱空間有限元分析及設(shè)計(jì)

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1、2011年6月第6期城市道橋與防洪橋梁結(jié)構(gòu)95花瓶式開口墩柱空間有限元分析及設(shè)計(jì)劉俊，陳明貴。，楊敏，馮克巖(1．深圳市建筑工務(wù)署，廣東深圳518031；2．天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051)摘要：花瓶式開口墩柱墩帽受力較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的截面內(nèi)力設(shè)計(jì)方法不再適用。通過有限元模型，考慮鋼筋和混凝土開裂效應(yīng)，較為真實(shí)地模擬了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對類似工程設(shè)計(jì)具有參考和借鑒意義。關(guān)鍵詞：花瓶式開口墩柱；截面內(nèi)力；混凝土開裂；分離式鋼筋模型；整體式鋼筋模型中圖分類號：U443．2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009—7716(2011)06—0095—04連續(xù)箱

2、梁結(jié)構(gòu)，橋面寬16．5m，箱梁結(jié)構(gòu)為單箱0引言多室，按照4車道設(shè)計(jì)?；ㄆ渴介_口墩柱由于其有較好的景觀效果，墩柱幾何尺寸見圖1，其中墩頂?shù)蕉盏壮叽缭诔鞘袠蛄簯?yīng)用較廣。其墩帽呈現(xiàn)頂寬底窄(沿圓由700em×190em變?yōu)?00em×190em，支座間弧線過渡)、支座作用邊緣線越過底寬等特點(diǎn)，受距為400cm，支座墊塊尺寸為110em×106em，墩力特點(diǎn)比較復(fù)雜，不再滿足梁式結(jié)構(gòu)平截面假定，柱在兩支座之間設(shè)有100cm×80em的開口凹加之現(xiàn)有對花瓶墩柱的研究分析非常少，故有必槽。墩柱采用C35混凝土。要對其進(jìn)行精細(xì)化有限元分析。本文擬采用以下采用ANSYS有限元程序，對上述墩

3、柱建立有分析步驟：首先，對花瓶墩柱進(jìn)行有限元模型建限元模型(見圖2)，混凝土采用Solid45(8節(jié)點(diǎn)六立，不考慮鋼筋作用，分析結(jié)構(gòu)在支座豎向力作用面體)單元。墩柱共劃分24501個(gè)單元，46321個(gè)下空間應(yīng)力分布；然后，分別用整體式和分離式模節(jié)點(diǎn)。型考慮鋼筋和混凝土開裂效應(yīng)，對墩柱進(jìn)行分析計(jì)算分析表明，活載全部偏載布置在一側(cè)支比較，從而確定整體式模型的精度滿足計(jì)算精度座時(shí)，結(jié)構(gòu)受力最不利。從上部結(jié)構(gòu)提取支座反力要求；最后，分析整體式模型結(jié)構(gòu)空問應(yīng)力分布，為載重側(cè)12298kN和非載重側(cè)8344kN。支座并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。反力按照支座實(shí)際大小以均布面荷載加載。計(jì)算表明，墩帽在

4、豎向支座反力作用下，拉應(yīng)1未考慮鋼筋作用結(jié)構(gòu)空間應(yīng)力分析力主要出現(xiàn)在墩帽開口凹槽周圍和支座下方，最計(jì)算分析的墩柱取自4×30rfl預(yù)應(yīng)力混凝土大主拉應(yīng)力為11．64MPa，出現(xiàn)在凹槽底部并靠載重一側(cè)，見圖3、圖4，凹槽周圍的拉應(yīng)力也均超收稿日期：2011-03—14作者簡介：劉俊(1980一)，男，湖南婁底人，工程師，從事工程過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，需要進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。支項(xiàng)目管理工作。座下方處主拉應(yīng)力基本以水平橫向?yàn)橹?，見圖5，作用下，混凝土板主要為拉應(yīng)力，不過最大拉應(yīng)力不超過0．4MPa，對混凝土板影響很小。(3)溫度作用下，結(jié)構(gòu)縱向滑移力均是橋跨兩端大，方向相反，中間小，

5、跨中處附近，縱向滑移力為零。參考文獻(xiàn)【l】張曄芝．高速鐵路下承式鋼桁結(jié)合橋研究[J】．鐵道學(xué)報(bào)，2004，26(6)：71-74．【2】王榮輝，程緯，王海龍，等．板桁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模式與動(dòng)力特性研048l2l6202428323640444852566064究[J】．鐵道學(xué)報(bào)，2000，22(2)：72—76．縱向距離，m【3]林國雄．正交異性板與桁梁結(jié)合式橋梁第一系統(tǒng)應(yīng)力及有效寬度計(jì)算[J】．橋梁建設(shè)，1978(4)：51～64．圖9溫度作用下豎向掀起力[4】譚瑩，田啟賢．板桁組合結(jié)構(gòu)的受力特性及其空間分析方法【J】．溫度作用下，混凝土板主要為壓應(yīng)力，工況2溫度鐵道建筑，2

6、001(8)：2—5．96橋梁結(jié)構(gòu)城市道橋與防洪2011年6月第6期圖3墩柱墩帽最大主應(yīng)力等值線圖，墩柱立面圖盆式橡膠支座一釜圖4墩柱墩帽最小主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)等值線圖圖1花瓶開口墩柱幾何尺寸(單位：cm)圖5墩柱支座下方最大主應(yīng)力矢量圖圖2花瓶開口墩柱有限元模型在靠近凹槽處，主拉應(yīng)力方向變?yōu)樨Q向，在凹槽角點(diǎn)處，主拉應(yīng)力方向?yàn)?5。斜角方向，在凹槽正下方，主拉應(yīng)力方向變?yōu)樗綑M向；最大主壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在支座正下方處以及墩柱懸臂下根部，最大主壓應(yīng)力均在混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值內(nèi)(見圖6)。如前所述，在支座豎向荷載作用下，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在兩支座之間的開口凹槽底部，提取花瓶墩柱頂部開

7、口凹槽底部及以下1m處截面應(yīng)力，見圖7。結(jié)果顯示，墩頂開口處截面應(yīng)力并不完全圖6開口凹槽兩側(cè)最大主應(yīng)力矢量圖2011年6月第6期城市道橋與防洪橋梁結(jié)構(gòu)97符合平截面假定，若按照截面內(nèi)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)，側(cè)，表明整體式模型能滿足計(jì)算精度要求。勢必會(huì)帶來計(jì)算誤差，另外，對于截面取多高進(jìn)行驗(yàn)算，若截面高度取較大(0．5m以上)，是按照深梁計(jì)算還是按照普通梁計(jì)算，這都是難以考慮的問題。圖8墩帽開口凹槽內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力矢量圖圖7開口凹槽底部及以下1m處最大主應(yīng)力矢量圖2考慮鋼筋和混凝土開裂作用結(jié)構(gòu)空間應(yīng)力分析無論如何，花瓶墩柱的受力