摘要：以深圳机场南路新建工程市政工程为研究对象，利用ANSYS有限元软件对连续箱梁桥防落梁限位钢挡块进行了非线性分析。对结构的承载能力进行了评估，分析了限位钢挡块的的破坏形态，探讨了结构的破坏形式与构件承载能力的关系，以期为连续箱梁桥防落梁限位钢挡块的设计计算提供便利。计算结果表明：防落梁限位钢挡块的水平极限承载力达到了2385kN，对桥梁上部结构起到一定的限制作用。限位钢挡块的破坏形态主要为螺栓引起钢板的抗剪破坏，其抗剪应力主要出现在连接上部钢筋混凝土梁的钢板连接脚处，合理布置钢挡块的位置可对有效限制桥梁抗震与桥梁偏位问题。
关键词：限位挡块；连续箱梁桥；极限承载力；非线性分析；抗剪应力
Load Carrying Capacity Analysis of Limit Steel Block For Continuous Box Girder Bridge
Abstract：Taking the new municipal engineering of Shenzhen Airport South Road as the research object，the finite element software ANSYS is used to analyze the nonlinear behavior of the limit steel block of the continuous box girder bridge. This paper evaluates the bearing capacity of the structure，analyzes the failure modes of the limit steel blocks，and discusses the relationship between the failure modes of the structure and the bearing capacity of the components. The results show that the ultimate horizontal bearing capacity of the limit steel retaining block of the anti-falling beam reaches 2385 kN，which restricts the superstructure of the bridge to a certain extent. The failure mode of limit steel block is mainly shear failure of steel plate caused by bolts. The shear stress of limit steel block mainly appears at the foot of steel plate connecting the upper reinforced concrete beam.
Keywords：limit block；continuous box girder bridge；ultimate bearing capacity；nonlinear analysis；shear stress
1 引言
许多桥梁震害结果表明，梁体之间碰撞甚至落梁的主要原因是由于相邻两跨桥梁的不同向振动引起的过大的相对位移。在传统的抗震设计中，上部结构往往按照弹性体进行设计，主梁通常都是抗震的主体结构，形成“强梁弱柱”的结构形式[1-4]。1995年日本阪神地震中，西宫港大桥就是因为地震后地基液化和沉陷导致主桥和引桥之间相对位移过大，支座和限位装置遭到破坏导致第一联引桥发生碰撞后落梁。
现阶段传统的桥梁抗震措施仅从构造措施上予以防止落梁，主要的防落梁措施包括：梁段搭放长度限制，限位装置和连梁装置。桥梁限位装置用于限制地震力引起的主梁和支座过大的相对位移，是防止落梁的最前线也是最直接有效的防护装置。桥梁中常用的限位装置有挡块和锚栓两种。其中锚栓主要用于跨径较小的板式桥梁结构，而挡块则使用的更为广泛，大多形式的梁桥盖梁处都可以在两侧安置挡块[5-8]。
除此之外，《公路桥梁抗震设计细则》在高烈度地区要求提高一级地震设防烈度，有时还需要在主梁上安装连梁装置。连梁装置是在破坏无法支撑梁体，桥梁上、下部结构之间产生过大相对位移时，防止落梁的最后一道防护措施。连梁装置常常在现浇连续梁桥中使用。
本文以深圳机场南路新建工程市政工程的连续箱梁桥为研究对象，通过建立有限元模型，分析得到连续箱梁桥防落梁限位钢挡块的极限承载能力。为深圳机场南路新建工程市政工程的连续箱梁桥的抗震计算与防落梁设计提供保障，也对今后同类型桥梁的设计、施工与研究提供参考。
2工程概况
2.1 工程背景
深圳机场南路新建工程市政工程位于宝安区宝安中心组团北侧的航空商贸功能区和机场运营功能区。起点接海滨大道西侧的机场码头，经机场进出场路、建德西路、建德东路、宝安大道、107国道，道路终点至现状广深高速公路鹤洲立交，路线呈东西走向，全长4.554公里。
工程按城市快速路标准设计，道路红线宽100米，双向六车道，设计行车速度80公里/小时。桥梁总长5168m，桥梁面积56938m2；道路总长14328m，路面总面积（含桥梁）211750m2。工程主要包括3座立交桥，连接机场进出场路的机场立交、跨宝安大道立交、跨 107国道立交，2座人行过街天桥和1座地下通道（如图1所示）。
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图1 深圳机场南路新建工程平面布置图
Fig1 Layout Plan for New Airport Road South of Shenzhen
2.2 防落梁限位钢挡块
为方便防落梁限位装置的安装与维护，机场南路新建工程采用限位钢挡块如图1所示。限位挡块分为三部分：墩台处连接钢板、主梁处连接钢板以及螺栓连接。为给予桥墩水平向变形的余量，墩台处与主梁处连接钢板的接头处留有空隙，以防止变形引起构件不必要的破坏与局部屈服损伤。
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图2 防落梁限位钢挡块设计图
Fig 2 Design of Steel Block for Protection Against Falling Beam
为合理限制盖梁跨中、盖梁梁端与桥台出的变形与落梁的可能，在盖梁跨中、盖梁梁端与桥台处对防落梁限位钢挡块采用不同的布置形式。同时，在进行计算分析时应根据作用方向的不同，分别进行顺桥正向、反向以及横桥向的加载，以评价该限位钢挡块不同布置形式的极限承载力。
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（a）盖梁跨中限位挡块 （b）盖梁梁端限位挡块 （c）桥台限位挡块
图3 防落梁限位钢挡块布置图
Fig 3 Layout of Steel Block for Protection Against Falling Beams
3有限元数值模拟
3.1 非线性分析方法
本文采用双重非线性分析，即同时考虑几何非线性与材料非线性。对于复杂的空间梁单元构件，其几何非线性主要体现在结构应变较小，而位移较大的特性，使用更新的拉格朗日法，其平衡方程[3]建立在结构变形后平衡状态上。本文通过逐渐增加位移的方法来进行对结构承载能力计算，在荷载逐渐增加的过程中，结构刚度与材料强度不断发生变化。当结构的承载力到达极限时，所加外荷载使得构件的应力影响结构前线刚度矩阵，直至其趋于奇异。此时，结构稳定性丧失，结构完全破坏。运用此方法对结构的力学性能进行全过程分析，并得到结构极限承载力、相对应的位移及构件应力。
3.2本构模型
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3.3有限元模型的建立
使用ANSYS有限元软件建立了防落梁限位钢挡块的空间有限元模型如图4所示。其中钢板、混凝土梁体、桥墩与螺栓均采用Solid186单元模拟，限位挡块计算模型采用接触面算法定义不同构件间的接触非线性。
每个接触对包括一个目标单元和一个接触单元，分别采用TARGE170单元与CONTA174单元进行模拟。TARGE170为三维目标单元，与各种相关的接触单元（CONTA174、CONTA173）联用，用来描述三维目标面。接触单元覆盖在变形体边界实体单元上，并可能与TARGE170定义的目标表面发生接触。目标表面离散成一系列目标单元，并通过共享实常数号与接触单元形成接触对。对于刚性目标，目标单元可以方便地模拟出复杂的目标形状，对于柔性目标，这些单元将覆盖在变形目标体边界单元上。
同时为更加真实的模拟防落梁限位钢挡块的受力性能，根据地震动的输入方式，将桥梁上部结构进行固结，桥墩墩底进行水平向的位移加载，并利用荷载探针的方式对结构的反力进行计算，从而计算得到防落梁限位钢挡块的极限承载力。
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（a）限位挡块几何模型 （b）限位挡块计算模型
图4 有限元计算模型
Fig 4 Finite Element Calculation Model
4 计算结果及分析
4.1 承载能力分析
计算所得荷载-滑移曲线如图5所示，由于构件对上部结构的纵向位移留有余量，故计算所得荷载-滑移曲线首先为水平直线段，随后构件螺栓参与受力，计算所得极限承载力为2385kN，通过该工程设计的防落梁限位钢挡块布置图可知，该工程的纵向荷载达到14310kN。防落梁限位钢挡块可在一定程度上对主梁起到一定的限制作用，可有效限制钢筋混凝土结构主梁的落梁问题，且该构件通过螺栓方式进行安装，安装便利，但由于该桥为近海工程，故该构件需要有关人员进一步维护，以实现该构件的作用。
图5 荷载-位移曲线
Fig5 Load-displacement curve
4.2破坏形态分析
为简化计算，提高非线性分析的计算效率，计算模型简化为钢筋混凝土梁的混凝土块、桥墩处混凝土块。通过非线性分析，除计算得到构件的承载力外，提取得到各构件的应力、应变及位移云图如图6、图7所示。
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（a）位移云图 （b）应力云图
（a）剪应力云图 （b）应变云图
图6 防落梁限位钢挡块应力、应变及位移云图
Fig6 Stress，strain and displacement cloud chart of limit steel block
（a）上部混凝土（梁） （b）下部混凝土（墩）
图7各混凝土的应变云图
Fig7 Strain cloud chart of structure
由图6可以看出，最大应力主要出现在连接上部钢筋混凝土梁的钢板连接脚处，且由于钢板两侧同时承受拉、压荷载，故连接上部钢筋混凝土梁的钢板的剪力云图呈现“V”形。且由于“V”形应力分布影响，混凝土也呈现拉、压应力，从应力与应变的分布也可以看出构件的受力特性。
5 结论
（1）经过有限元计算可以得到，防落梁限位钢挡块的水平极限承载力达到了2385kN，对桥梁上部结构起到一定的限制作用。通过防落梁限位钢挡块的布置可知纵向极限承载力达到14310kN。防落梁限位钢挡块可在一定程度上对主梁起到一定的限制作用，可有效限制钢筋混凝土结构主梁的落梁问题。
（2）经过计算分析，限位钢挡块的破坏形态主要为螺栓引起钢板的抗剪破坏，其抗剪应力主要出现在连接上部钢筋混凝土梁的钢板连接脚处，合理布置钢挡块的位置可对有效限制桥梁抗震与桥梁偏位问题。
（3）最大应力主要出现在连接上部钢筋混凝土梁的钢板连接脚处，由于钢板两侧同时承受拉、压荷载，故连接上部钢筋混凝土梁的钢板的剪力云图呈现“V”形，且由于“V”形应力影响，混凝土也呈现拉、压应力分布。
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论文作者:曹淑学
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/17
标签：桥梁论文; 应力论文; 结构论文; 位移论文; 构件论文; 钢板论文; 承载力论文; 《防护工程》2018年第27期论文;