帅家桥维修处治过程中的3号桥墩的顶推受力分析.docx
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帅家桥维修处治过程中的3号桥墩的顶推受力分析
S305省道开利路云开段
帅家桥维修处治过程中的3号桥墩的顶推受力分析
利用大型有限元软件ANSYS,建立了主梁结构的实体模型、考虑主要偏位的3号桥墩的实体模型以及3号桥墩的梁单元模型。
分析在主梁与3号桥墩在顶升1cm与顶推实际纠偏过程中的应力、变形与稳定性计算。
1、帅家桥的现状
帅家沟桥位于云开路云阳县境内,上部桥跨设计为5x16m钢筋混凝土连续板桥,全长91m。
云阳岸桥台及第1、2跨位于圆曲线内,桥跨3、4、5位于直线内,在圆曲线内桥面加宽1.4m,桥跨3、4为加宽渐变段,最大超高值为8%,桥墩采用双柱式桥墩,柱中心间距5.4m,柱直径1.2m,桩基直径1.5m,墩柱轴线与桩基轴线重合。
3号桥墩发生严重倾斜变位、桥墩立柱及系梁开裂。
图1桥墩倾斜情况
2、主梁顶升1cm受力分析
2.1模型的选取及建模
利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型,截面与约束等按实桥的情况进行建模分析,按实体单元进行建模。
全桥共计10080个单元,16880个节点。
分析3号桥墩的主梁向上顶升1cm工况下的主梁受力。
模型中考虑了主梁的倾斜(超高情况),按主梁为曲梁进行建模。
边界条件:
主梁支座处底部约束竖向位移。
该Ansys模型中,主梁的竖向方向为Y方向,桥梁轴线方向为Z方向,横桥向方向为X方向。
本ANSYS实体模型中,应力的单位为Pa,受拉为正,受压为负;长度的单位是米。
主梁混凝土材料为C30,弹性模量为3.0E10,密度为2450,泊松比μ=0.2,C30混凝土抗拉强度标准值为2.01MPa,抗压强度标准值为20.1MPa。
钢材的弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3。
主梁的全桥实体模型见图2.1~2.3。
图2.1主梁的全桥实体模型
图2.2主梁的全桥实体模型的平面图
图2.3主梁的全桥实体模型的侧面图
2.2分析结果
针对主梁顶升的受力特点,计算结果的提取时,重点考虑3号桥墩处的主梁的受力情况,见图2.4~2.6。
图2.43号桥墩处的主梁顶升1cm后的全桥变形图
图2.53号桥墩处的主梁的受力图(俯视图)
图2.63号桥墩处的主梁的局部受力图(仰视图)
2.3小结
利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型,考虑了主梁的超高倾斜和主梁为曲梁的实际情况,分析3号桥墩的主梁向上顶升1cm工况下的主梁受力,具体分析结果如下:
1)从全桥变形图可看出,向上顶升1cm后,除了3号桥墩的主梁向上发生位移外,还会对相邻的桥墩产生影响(主要是2号和4号桥墩产生向上位移),使得其支承力减少,从而产生内力重分布,增大3号桥墩处顶推力。
2)3号桥墩处的主梁的最大压应力值达到2.35MPa,出现在主梁的下缘,小于C30混凝土的抗压强度标准值(20.1MPa)。
3)3号桥墩处的主梁的最大拉应力值达到1.64MPa,出现在主梁的上缘,小于C30混凝土的抗拉强度标准值(2.01MPa)。
虽然最大拉应力值小于抗拉强度标准值,但是3号桥墩处的主梁的局部拉应力区域还是较大,在顶升过程中应控制顶升速度,加强混凝土裂纹的观测,防止意外情况发生。
3、考虑实际偏位的3号桥墩应力分析
3.1模型的选取及建模
利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的实体模型,截面与约束等按实桥情况进行建模,按实体单元SOLID45进行建模。
全桥共计30174个单元,10272个节点。
分析主梁向上顶升1cm工况下的3号桥墩受力情况。
3号墩偏移量见表2.1~2.2。
通过计算,3号墩处主梁向上顶升1cm,需要331吨的顶升力。
建模时,墩顶的竖向力按331吨作用施加。
按最不利工况考虑,此时墩顶没有顶推力。
分析工况按以下两种考虑:
a、只考虑墩顶的顶升时产生的竖向力;
b、同时考虑桥墩自重和墩顶的顶升时产生的竖向力。
表2.13号墩下游侧墩柱的偏移量
3号墩下游横向
3号墩下游纵向
距墩顶距离
偏移量(m)
备注
距墩顶距离
偏移量(m)
备注
3.81
0.2359
向下游方向偏移
1.27
0.5363
向二号墩方向偏移
5.08
0.2299
2.54
0.4944
6.35
0.221
3.81
0.4518
7.62
0.2151
5.08
0.4126
8.89
0.2077
6.35
0.3748
10.16
0.1986
上立柱
7.62
0.3321
11.41
0.1863
8.89
0.2937
12.66
0.1676
10.16
0.2558
上立柱
13.91
0.1491
11.41
0.2197
15.16
0.1305
12.66
0.1853
16.41
0.0891
13.91
0.1432
17.66
0.0564
15.16
0.1034
18.91
0.0288
16.41
0.0479
20.16
0
17.66
0
表2.23号墩上游侧墩柱的偏移量
3号墩上游横向
3号墩上游纵向
距墩顶距离
偏移量(m)
备注
距墩顶距离
偏移量(m)
备注
5.08
0.0685
向下游方向偏移
0
0.5095
向二号墩方向偏移
6.35
0.0683
1.27
0.4721
7.62
0.0709
2.54
0.4384
8.89
0.073
3.81
0.3984
10.16
0.0764
上立柱
5.08
0.3609
11.41
0.065
6.35
0.3269
12.66
0.0564
7.62
0.2895
13.91
0.0472
8.89
0.2506
15.16
0.0346
10.16
0.2128
上立柱
16.41
0.0197
11.41
0.1746
17.66
0
12.66
0.1191
13.91
0.0823
15.16
0.0446
16.41
0
本Ansys模型中,桥墩的竖向方向为X方向,桥梁轴线方向为Z方向,横桥向方向为Y方向。
本ANSYS实体模型中,应力的单位为Pa,受拉为正,受压为负;长度的单位是米。
主梁混凝土材料为C30,弹性模量为3.0E10,密度为2450,泊松比μ=0.2,C30混凝土抗拉强度标准值为2.01MPa,抗压强度标准值为20.1MPa。
3号桥墩的实体模型见图3.1~3.4。
图3.13号桥墩的实体模型
图3.23号桥墩的实体模型侧视图
图3.33号桥墩的实体模型立面图
图3.43号桥墩的实体模型俯视图
3.2工况a分析结果
针对3号桥墩的受力特点,只考虑墩顶的顶升时产生的竖向力,提取变形情况与应力情况,见图3.5~2.6。
图3.53号桥墩的变形图
图3.63号桥墩的竖向变形图
图3.73号桥墩的纵向变形图
图3.83号桥墩的横向变形图
图3.93号桥墩的主拉应力图
图3.103号桥墩的主压应力图
图3.113号桥墩的竖向应力图
图3.113号桥墩的纵向应力图
图3.113号桥墩的横向应力图
3.3工况b分析结果
针对3号桥墩的受力特点,同时考虑桥墩自重和墩顶的顶升时产生的竖向力,提取变形情况与应力情况,见图3.5~2.6。
图3.123号桥墩的变形图
图3.133号桥墩的竖向变形图
图3.143号桥墩的横向变形图
图3.153号桥墩的纵向变形图
图3.163号桥墩的主拉应力图
图3.173号桥墩的主压应力图
图3.183号桥墩的竖向应力图
图3.193号桥墩的纵向应力图
图3.203号桥墩的横向应力图
3.4小结
利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的实体模型,考虑了3号桥墩的纵桥向偏位与横桥向偏位,使得受力结果更接近实际情况,计算了2种工况下的受力情况,具体分析结果如下:
1)对于工况a,从3号墩的变形图可看出,在顶升力的作用下,墩顶发生3.3mm的竖向位移,2mm的横向位移和36.6mm纵向位移,使得墩顶的纵向有继续变大的趋势。
2)对于工况a,从3号墩的受力云图可看出,在顶升力的作用下,3号桥墩将会产生1.82MPa的拉应力,位于3号墩的下游墩柱的中间;3号桥墩将会产生7.06MPa的压应力,位于3号墩的下游墩柱与横梁的交界处。
3)对于工况b,从3号墩的变形图可看出,在顶升力的作用下,墩顶发生3.7mm的竖向位移,2.5mm的横向位移和41.6mm纵向位移,考虑自重作用后,墩顶位移均变大,墩顶的纵向位移变大最为明显。
4)对于工况b,从3号墩的受力云图可看出,在顶升力的作用下,3号桥墩将会产生1.91MPa的拉应力,位于3号墩的下游墩柱的中间;3号桥墩将会产生8.10MPa的压应力,位于3号墩的下游墩柱与横梁的交界处。
2种工况的最大拉、压应力的位置基本不变。
5)虽然2种工况下,混凝土的拉、压应力均小于C30混凝土强度的标准值,但是混凝土拉压力的区域还是比较大,拉应力的数值(最大值为1.91MPa)接近混凝土强度标准值(2.01MPa),应引起注意。
4、考虑实际偏位的3号桥墩内力与稳定性分析
4.1模型的选取及建模
利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的梁单元模型,截面与约束等按实桥情况进行建模,按Beam188单元进行建模。
全桥共计57个单元,88个节点。
分析主梁向上顶升1cm工况下的3号桥墩稳定性情况。
施加的力、工况与实际线形同实体单元。
分析工况按以下两种考虑:
a、只考虑墩顶的顶升时产生的竖向力;
b、同时考虑桥墩自重和墩顶的顶升时产生的竖向力。
模型图见图4.1~4.2。
图4.1梁单元模型的3号桥墩模型图
图4.2显示截面外形后的梁单元模型的3号桥墩模型图
4.2工况a分析结果
针对3号桥墩的受力特点,考虑墩顶的顶升时产生的竖向力,提取变形与内力情况,见图4.3~4.10。
图4.3工况a作用下3号桥墩的变形图
图4.4工况a作用下3号桥墩的竖向变形图
图4.5工况a作用下3号桥墩的纵向变形图
图4.6工况a作用下3号桥墩的横向变形图
图4.7工况a作用下3号桥墩的轴力云图
图4.8工况a作用下3号桥墩的横向弯矩云图
图4.9工况a作用下3号桥墩的纵向弯矩云图
图4.10工况a作用下3号桥墩的扭矩云图
4.3工况b分析结果
针对3号桥墩的受力特点,考虑自重与墩顶的顶升时产生的竖向力,提取变形与内力情况,见图4.11~4.17。
图4.11工况b作用下3号桥墩的竖向变形图
图4.12工况b作用下3号桥墩的纵向变形图
图4.13工况b作用下3号桥墩的横向变形图
图4.14工况b作用下3号桥墩的轴力云图
图4.15工况b作用下3号桥墩的横向弯矩云图
图4.16工况b作用下3号桥墩的纵向弯矩云图
图4.17工况b作用下3号桥墩的扭矩云图
4.4工况a稳定性分析
桥墩作为压弯结构,其稳定问题是至关重要的。
下面列举了工况a作用下的稳定性分析结果,见表4.1。
第一阶失稳模态是纵向弯曲失稳,稳定系数为12.773,大于4,满足规范要求。
前5阶的失稳模态见图4.18~4.22。
表4.1工况a作用下的稳定性分析结果
阶数
稳定系数
备注
1
12.773
纵向弯曲失稳
2
31.269
横向对称弯曲
3
33.238
4
34.1
5
85.372
6
146.71
7
245.78
8
265.78
9
270.84
10
306.22
表4.18工况a作用下的第一阶失稳模态
表4.19工况a作用下的第二阶失稳模态
表4.20工况a作用下的第三阶失稳模态
表4.21工况a作用下的第四阶失稳模态
表4.22工况a作用下的第五阶失稳模态
4.5工况b稳定性分析结果
下面列举了工况b作用下的稳定性分析结果,见表4.2。
第一阶失稳模态是纵向弯曲失稳,稳定系数为11.274,大于4,满足规范要求。
前5阶的失稳模态见图4.23~4.27。
表4.2工况b作用下的稳定性分析结果
阶数
稳定系数
备注
1
11.247
纵向弯曲失稳
2
29.441
3
31.371
4
32.14
5
69.026
6
104.64
7
210.91
8
213.96
9
236.91
10
270.83
表4.23工况b作用下的第一阶失稳模态
表4.24工况b作用下的第二阶失稳模态
表4.25工况b作用下的第三阶失稳模态
表4.26工况b作用下的第四阶失稳模态
表4.27工况b作用下的第五阶失稳模态
4.6小结
利用大型软件ANSYS建立3号桥墩的梁单元模型,模型中考虑了3号桥墩的纵桥向偏位与横桥向偏位,使得受力结果更接近实际情况,具体分析结果如下:
1)梁单元模型的两种工况的计算结果与实力单元的计算结果相比,竖向位移与横向位移的结果都相差不大,纵向位移相差5mm,总的来说区别不大,结果是吻合的。
2)工况b作用下,在梁单元模型的分析结果中,桥墩的最大纵向弯矩位移墩的底部,大小为2.77e7N.m,而横向弯矩与扭矩的数值很小,可以忽略不计。
工况a中,纵向弯矩、横向弯矩与扭矩的数值都比较很小。
3)桥墩作为压弯结构,其顶推过程中的稳定问题是至关重要的。
工况a与工况b作用下的稳定系数均大于10,满足规范大于4的要求。
第一阶失稳模态均是纵向弯曲失稳。
4)为了减少根部纵向弯矩的值,在顶升梁体时,可以把千斤顶置于3号墩的墩顶截面的偏心处,靠近4号墩侧,以减少力臂。
5、纵向顶推过程中的主梁的局部应力分析
4.1模型的选取及建模
利用大型软件ANSYS建立主梁的全桥实体模型,截面与约束等按实桥的情况进行建模分析,按实体单元进行建模。
全桥共计10080个单元,16880个节点。
分析纵向顶推过程中的主梁的局部应力。
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