问题描述:
某小箱梁梁格模型,在进行施工阶段及成桥分析时,发现问题如下:
1.模型将中支点永久支座设置为固定支座,采用一般支撑进行模拟。在移动荷载作用下,该固定支座处产生了约1000kN的纵向水平反力。同时,查看施工阶段,在激活支点现浇段时,临时固定支撑处也产生了约1000kN的纵向水平反力,而随着支座体系转换后该反力消失。模型中水平反力产生的原因是什么?
图1 永久支座布置
图2 移动荷载的水平反力
图3 临时支撑支座布置
图4 施工阶段水平反力
2.查看CDN验算结果,发现边梁顶板应力左右不均匀(左右侧相差约2.5MPa,且一正一负),而中梁的顶底板应力则相对比较均匀,这与设计经验存在较大的偏差,希望能够找到该问题产生的原因。
图5 设计模型中边梁左右角点应力不对称
问题解答:
1.施工阶段为何产生很大的水平力反力?
通过对模型分析可知,施工阶段的水平发力主要是收缩徐变导致的,现浇段施工时形成连续梁体系,但支座并没有进行体系转换,临时支座对主梁的约束作用较强,进而产生较大的收缩徐变二次作用。而一般体系转换的持续时间不会很长,模型中设置了30天,时间太久,导致主梁受力状态很不利。
图6 收缩徐变导致水平反力
实际现浇段拆模后,就应该进行体系转换,持续时间很短,所以消除施工阶段水平反力有两种方案,一种是缩短该阶段的施工时间;另一种是在现浇阶段进行体系转换。缩短现浇段持续时间后,水平反力降低,如下图。
图7 施工阶段水平反力显著降低
2.移动荷载为何产生很大的水平力反力?
在成桥状态下,首先对固定支座处的最大纵向反力进行移动荷载追踪,得到移动荷载的最不利布载位置如图所示,移动荷载成交错布置。将移动荷载布载位置转化为静力荷载,并查看模型变形及内力。可见,使梁格产生整体的扭转变形。
图8 是支座水平反力进行移动荷载追踪
图9 等效静载变形与轴力分布
移动荷载作用下,在固定支座位置处主梁产生较大轴力,该轴力产生了支座水平反力。而模型永久支座采用一般支撑进行模拟,一般支撑是一种理想约束,因此该类边界计算会保守,会导致支反力分布不均匀。而实际预制梁一般采用板式橡胶支座,水平剪切刚度要比固定支座低。
因此,模型分析时,可以按支座的规格系列参数计算器剪切刚度,静力分析水平刚度也可以大致估算近似取2000-3000KN/m,按节点弹性支撑进行模拟。
将模型约束调整为节点弹性支撑处理后,支座在移动荷载下的水平反力只有几千牛,如图。
图10 移动荷载反力显著降低
3.边梁顶板应力为何左右不一致?
边梁的水平应力不一致,主要是预应力导致的。由于边梁截面不对称,截面形心与钢束的水平作用点存在偏心距,进而产生横向弯矩,如图所示,造成左右角点的应力差异。梁格分析会将这个作用放大,实际结构也存在这个效应。如果不想考虑,可以在CDN中进行二维+扭矩设计。
图11 边梁的横向弯矩
图12 预应力钢束与边梁形心存在横向偏心