ANSYS拱桥转体施工上盘实体分析

新建铁路成都至贵阳线乐山至贵阳段

施工图设计

西溪河大桥

西溪河大桥转体系统上盘实体分析

（编号 西溪河施设-JSxx）

计算：

复核：

专审：

中国中铁二院工程集团有限责任公司

二〇一三年九月

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目 录

1．计算概述 ........................................................................................................................................ 3

2．计算分析模型 ................................................................................................................................ 3

2.1 计算分析目的 ....................................................................................................................... 3

2.2 上盘结构分析荷载工况 ....................................................................................................... 4

2.3 计算分析的几何模型 ........................................................................................................... 4

2.3.1 计算分析实体模型 ............................................................................................................ 4

2.3.2 计算分析的材料 ................................................................................................................ 5

2.3.3 边界条件 ............................................................................................................................ 6

3 上盘实体分析计算结果 .................................................................................................................. 6

3.1工况1计算结果 .................................................................................................................... 7

3.2工况2计算结果 .................................................................................................................... 9

3.3工况3计算结果 .................................................................................................................. 11

3.4工况4计算结果 .................................................................................................................. 13

3.5工况5计算结果 .................................................................................................................. 15

3.6工况6计算结果 .................................................................................................................. 17

4 分析结论 ........................................................................................................................................ 19

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西溪河大桥转体系统上盘应力分析

1．计算概述

西溪河大桥为钢管混凝土拱结构，因地势狭窄，作业面小，采用转体施工，整个转体系统中上盘构造复杂、内部纵横竖三向预应力交错布置，应力集中严重，外部承受强大的背索力、交界墩传下来的荷载以及拱肋巨大的推力，因此上盘应力十分复杂，是控制设计的关键部位。国内外采用转体法修建的许多拱桥都把上盘区域作为设计分析的重点之一。

转体系统施工复杂，上盘的纵向预应力钢筋、背索和扣索均不能一次张拉到位，一面出现不利状态。上盘将随循环张拉顺序“张拉一批纵筋-张拉一批背索-张拉一批扣索”承受交替荷载，因此有必要考察每个阶段上盘的应力状态，以确保上盘的安全。上盘是整个转体系统的核心部件，其安全与否直接关系整个转体系统的运行，关系到整个大桥的安全。

西溪河大桥索上盘结构附图所下

:

图1-1 上盘结构图

2．计算分析模型

2.1 计算分析目的

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（1）考察纵筋、背索分批和扣索分级张拉是否合理 （2）考察上盘在个张拉阶段的应力状态 2.2 上盘结构分析荷载工况

上盘计算工考察6个时间点上盘所处的应力状态，分别罗列如下： 工况1：第一批纵筋张拉结束 工况2: 第二批纵筋张拉结束 工况3：第一批背索张拉结束 工况4：第三批背索张拉结束 工况5：拱圈脱架完毕 工况6：硬支撑拆除完毕

荷载工况组合表

2.3 计算分析的几何模型 2.3.1 计算分析实体模型

利用ANSYS取上盘部分建立实体有限元模型，其中混凝土采用SOLID45单元，预应力钢束采用LINK8单元，对于纵向预应力采用实体切分的方式来处理，预应力荷载采用BFE命令施加降温荷载模拟预应力；横向预应力按集中力或面域荷载方式加在预应力筋锚固区相关的区域；竖向预应力按竖筋面域施加面域荷载。背索索力按集中力施加在背索相关的节点上。交界墩对上盘的作用，通过与上盘节点耦合的交界墩墩底之心节点，直接施加集中荷载和弯矩。

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图2-1 上盘有限元模型

2.3.2 计算分析的材料

实体模型的材料参数均如下：

（1）转体系统上盘采用c50混凝土，其材料参数如下：

弹性模量E=3.55×1010（n/m2） 泊松比?=0.2

线膨胀系数a=1.0×10-5 密度?=2650(n/m3)

（2）纵向预应力钢束采用19-15.2mm钢绞线，其材料参数如下：

弹性模量E=1.95×1010（n/m2） 泊松比?=0.3

线膨胀系数a=1.18×10-5 密度?=7800(n/m3)

预应力损失有效值1130～1175(n/ m2) 单束钢绞线面积2.66×10-3 (m2)

（3）横向预应力钢束采用15-15.2mm钢绞线和4-15.2mm钢绞线，其材料参数如下：

弹性模量E=1.95×1010（n/m2） 泊松比?=0.3

线膨胀系数a=1.18×10-5 密度?=7800(n/m3)

预应力损失有效值1100(n/ m2) 15-15.2mm单束钢绞线面积2.1×10-3 (m2) 4-15.2mm单束钢绞线面积0.56×10-3 (m2)

（4）竖向预应力钢束采用 φ32 PSB830预应力钢筋，其材料参数如下：

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弹性模量E=1.95×1010（n/m2） 泊松比?=0.3

线膨胀系数a=1.18×10-5 密度?=7800(n/m3)

预应力损失有效值600.8×0.5=300.4 kN

2.3.3 边界条件

（1）位移边界：由于上盘位移边界条件随施工阶段发生变化，因此不同的施工阶段添加不同的边界条件。

A 、工况1~工况4

硬支撑范围内的节点约束竖向变形和横桥向位移，球铰区域的节点约束竖向位

移、顺桥向水平位移、横桥向水平位移。

B 、工况5~工况6

内保险腿区域的节点约束竖向位移和横桥向位移，球铰区域的节点约束竖向位

移、顺桥向水平位移、横桥向水平位移。

（2）力边界：上盘顶面施加交界墩底压应力和弯矩以及竖向钢束的作用力；上盘侧面施加横向钢束的作用力；上盘底面施加竖向钢束作用力。拱肋撑面施加拱肋传来的面荷载。整体施加+y向的加速度，用以添加重力。

3 上盘实体分析计算结果

为了能准确把握上盘应力分布情况，通过路径和截面云图方式来查看截面的应力。断面路径的定义见图3-1，其中S1代表主拉应力， S3代表主压应力。

图3-1 底面路径图 图3-2 顶面路径图

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3.1工况1计算结果

(1) S1、S3应力云图

顶面S1（-0.9mpa～0.6mpa）扣除应力集中区域

轴侧S1

底面S3（-3.3mpa～1.0mpa）扣除应力集中区域

底面S1（-0.9mpa～0.6mpa）扣除应力集中区域

顶面S3（-3.3mpa～1.0mpa）扣除应力集中区域

轴侧 7

(2) 应力路径图

底面路径1

底面路径2

顶面路径3

顶面路径4

小结1：

由工况1云图可知，上盘顶面、底面除应力集中区域以外，主拉应力S1大多处于-0.9mpa～0.6mpa之间，主压应力S3大多处于-3.3mpa～1.0mpa之间，因此，在工况1的情形下上盘顶底面基本处于受压状态。说明第一批纵筋张拉量控制合理。

由底面顺桥向路径1和横桥向路径2可知，SX和S3应力幅值较大，且两条线基本重合，可见底面主压应力主要由顺桥向主应力SX控制；横桥向应力SZ、竖向应力SY和主拉应力S1应力幅值均较小，大多在1.0mpa以内。

由顶面路径可知主拉应力S1最大值为0.6mpa，主压应力S3全部小于0。

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3.2工况2计算结果

(1) S1、S3应力云图

顶面S1（-1.56mpa～1.33mpa）扣除应力集中区域

轴侧S1（mpa～mpa）

底面S3（-4.2mpa～0.1mpa）扣除应力集中区域

底面S1（-1.56mpa～0.61mpa）扣除应力集中区域

顶面S3（-4.2mpa～0.1mpa）扣除应力集中区域

轴侧S3 9

(2) 应力路径图

底面路径1

底面路径2

顶面路径3

顶面路径4

小结2：

（1）由工况2主拉应力云图可知，上盘顶底面的主拉应力S1，扣除应力集中区域外，大多处于-1.56mpa～1.33mpa之间，其中1.33mpa处于交界墩近拱肋侧，可通过配置普通钢筋处理。

（2）由工况2主压应力云图可知，上盘顶底面主压应力S3，除应力集中区域外，大多处于-4.2mpa～0.1mpa之间，可见上盘上下面均处于受压状态。

（3）由（1）、（2）可知，第二批纵筋张拉量控制合理。

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3.3工况3计算结果

(1) S1、S3应力云图

顶面S1（-1.0mpa～1.0mpa）扣除应力集中区域

轴侧S1

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