V形支撑局部结构模型空间有限元分析

　　1　概　述

　　八渡南盘江特大桥是南昆铁路重点工程之一,其主跨为一联54m+2×90m+54m部分预应力混凝土(PPC)V形支撑连续梁结构。

　　从结构设计和构造上分析,这种结构的关键部位是V形支撑部分。主梁与V形支撑斜腿刚结处应力分布复杂,用常规的内力分析程序难以了解结构中局部应力的复杂分布状态,从而可能由于结构设计中局部构造细节处理不当而造成使用过程中结构开裂,影响正常运营。因此,八渡南盘江特大桥进行了V形支撑局部结构模型的静、动载试验及空间有限元分析。

　　本文采用大型通用结构分析程序SAP5对V形支撑局部结构模型进行空间有限元分析,绘出了各部位等应力迹线,揭示出了常规内力分析中所不能发现的一些问题,为合理确定V形支撑局部结构形式及结构设计提供了可靠的依据。

　　2　结构的计算模型——离散化及约束处理

　　2.1　模型以实桥V形支撑局部结构(技术设计方案)为原型,选用1/10比例缩尺,以控制截面应力相似条件模拟整个V形支撑结构的受力状态来设计的。

　　2.2　结构离散化处理时,由于结构和荷载的对称性,取局部结构模型的1/4进行分析。考虑了梁顶锯齿块的影响,对支座附近截面作了简化。在对称面内各结点处设置垂直于对称面的链杆。总体座标系原点为V形支撑底部对称点。

　　结构剖分情况见图1、图2。本文采用通用程序SAP5中第八类厚壳单元,每单元为八个结点,结点总数为986个,单元总数为460个,共2 692个自由度。

　　3　荷载

　　根据模型设计原则,为保持模型与实桥受力状态相似,

　　模型使用荷载为190kN。

　　分析中,荷载工况为:使用荷载与预应力及自重共同作用。其中,使用荷载按集中力施加于结构总体座标系原点,将预应力的作用换算为等效结点荷载,自重作用则由分析程序自动处理。

　　4　应力分析

　　根据要求,计算输出结果为单元体心及六个面的表面中心共七个点处的六个应力分量:σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx。

　　4.1　在计算荷载工况下,σx的最大拉、压应力均发生在梁部。在梁与斜撑所形成的隅结点外侧,形成局部高压应力区,最大压应力达-15.32MPa(应力以受压为负,受拉为正。下同),该截面腹板中心线上梁顶拉应力达2.79MPa;两斜腿间顶梁上最大压应力为-8.95MPa,发生在梁底,而梁顶拉应力值为0.77MPa。在隅结点附近,由于斜腿的存在,梁部σx等应力线与弯曲构件明显不同。但离开隅结点较远处,其等应力线受斜腿的“干扰”减弱,梁部正应力分布与简单弯曲构件相同。详见图3。

　　4.2　在计算荷载工况下,斜腿与梁形成的隅结点内侧形成了局部高拉应力区,σz值达5.45MPa;隅结点外侧为压应力区,且其范围比内侧拉应力区大,斜腿上σz为-5.2MPa,隅结点附近则达到-6.55MPa,可见,斜腿上压应力值并非控制因素。详见图4。