车载作用下铰缝结构最不利位置的确定

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（呼和浩特职业学院建筑工程学院内蒙古呼和浩特010051）

【摘要】利用ABAQUS6.8有限元软件采用三维空间块体单元对跨径为13 M装配式空心板桥建模，并利用有限元程序对横向和纵向最不利荷载位置进行确定，对铰缝结构的应力及变形进行数据分析，找到其各种应力极值的发生位置，从而为中小跨径空心板桥设计提供理论依据。

【关键词】铰缝；有限元；受力分析

1. 引言

装配式空心板由于其预制、安装施工工艺简单，工程造价较低，同时板桥具有建筑高度最小等优点，所以在中小跨径桥梁中得到广泛地应用。其特点是各板横向之间通过现浇的企口混凝土铰接，借此将各板横向连成整体，使作用于桥面上的局部荷载分配给各板来共同参与承受，共同承担车辆荷载。然而随着交通基础建设及交通运输业的迅猛发展，在公路设施的使用过程中，由于公路交通量急剧增加，车辆的行驶速度和车辆轴重的增长，同时因自然环境的影响、某些局部设计不合理、施工工艺条件限制等原因，公路的病害也存在不少。近几年从内蒙地区已建成的国道和高速公路使用情况来看，存在某些构造物预制板铰缝有不同程度的损坏。因此，通过建立和实际桥梁相对应的尺寸和形状相同的实体模型，对铰缝进行受力分析，主要是弄清铰缝的实际受力状况，对比铰缝在不同荷位作用下的应力分布和变形情况，找到铰缝的最不利荷载位置。本论文空心板横截面采用内蒙地区现在常用的截面形式。是经过二次改善制成的，汲取了以往设计截面形式的很多经验。

2. 模型的简化

国内外桥梁的研究人员一般均采用有限元法进行分析计算，有限元法要求对具体结构建模，为了使计算结果具有通用性，必须针对桥面板的受力特性，简化受力模型。由于空心板截面形式以及铰缝截面形式复杂多样，本论文通过对大量空心板桥进行调研分析，收集国内各地区空心板桥的设计资料，调研考察其设计、施工、使用及养护管理情况。最终采用内蒙地区较常用的截面形式。

3. 基本假定

（1）简支梁桥上部结构处于无裂缝工作状态。

（2）铰缝和桥梁主体共同承受汽车荷载作用。

（3）各部分是连续、完全弹性、均匀、各向同性、位移和形变是微小的。

（4）铰缝和板间接触情况为连续体系。

4. 有限元计算模型的建立

由于实际路上车的行驶轨迹具有很强的规律性，也为了便于计算分析，取实际桥梁当中的三片空心板梁（两个铰缝）进行计算，一辆车可以在三块板的宽度内布下。按照1：1的比例建立三片主梁和两条铰缝的实体几何模型，在有限元软件ABAQUS中进行模拟计算。见图1。

（1）有限元模型。

单元划分方法采用自由网格划分技术（Free）；线性完全积分（Linear full-integration）的三维实体单元C3D4（4节点四面体线性完全积分单元），为保证精度，各边的长度比接近1：1：1，单元的每个结点具有三个平动自由度U1、U2、U3及三个转动自由度UR1、UR2、UR3。且对于每层结构单元都为等距划分，铰缝和板之间采用面面接触进行分析，模型总共划分为1000多个单元。具体模型有限元网格划分如图2所示。其中：1方向即X方向，为纵桥向跨径方向；2方向即Y方向，为竖桥向厚度方向；3方向即Z方向，为横桥方向（见图2、图3）。