发布时间 : 星期一 文章屈曲稳定性分析 - 图文更新完毕开始阅读
3. 超宽圆端形薄壁空心桥墩的稳定性数值分析
兰渝线兰州枢纽大砂坪特大桥位于兰州市西南郊区，其中5#～12#桥墩均为四线超宽圆端形空心墩。该桥墩设计时，按照相关规范要求和以往设计经验分别对桥墩墩身强度、稳定性以及墩顶水平位移、固端干扰应力、温度应力风振、地震等项目进行检算，其各项力学指标均满足设计要求。本文重点研究其稳定问题。
此桥墩的特点为横桥向尺寸b与顺桥向尺寸a的比值以及宽厚比很大，如图2-5中Ⅲ－Ⅲ截面，b/a=4.54,t/b=1/40.3＜＜1/10，属于超宽薄壁结构。在此仅定义b/a≥4, t/b＜1/10的结构为超宽薄壁结构。此外，其高度达到40m,属于高墩范畴。故其失稳形式有整体稳定（沿顺桥向侧倾）和墩壁的局部失稳两种类型。
此外，为偏安全设计，该超宽圆端形空心墩在纵向中心处还设置一道80cm厚的竖向隔板。
3.1.1线弹性稳定分析
3.1.1.1超宽圆端形薄壁空心墩模型的建立
利用ANSYS进行整体建模，以桥墩实际尺寸建立模型，墩身从上到下由顶帽、托盘、上实体段、空心段、下实体段构成，墩身高度为39.5m，内、外坡均采用85/1的坡度值，墩身顶设置1.5m实体过渡段，墩底设置9.5m实体过渡段，在纵向中心处还设置带有50cm×50cm倒角的一道80cm厚隔板，具体尺寸见第二章中图2-2。分别建立有竖向隔板和无竖向隔板两种模型，如图4-1和图4-2。
3.1.1.2单元类型的选取
在有限元数值模拟分析中，单元类型的选取尤为重要，应该针对结构的具体构造特点和力学性能特点，确定最切合实际的仿真分析力学模型。
本文采用SOLID95单元。该单元是3-D 8节点实体单元—SOLID45的高次形式。它可以应用于不规则的形状而没有精确度的损失。SOLID95单元有着适合的位移协调形状，适用于模拟曲线的边界。该单元是由20个节点所定义成的，每个节点有三
个自由度：节点x,y和z方向的位移。该单元具有空间的任意方向。SOLID95单元有可塑性、大应变能力与大变形的特性［44］。
3.1.1.3材料属性的定义
定义材料属性：混凝土的弹性模量EC=3.30×104MPa，混凝土的密度D=2500Kg/m3，混凝土的泊松比μ=0.2。
图4-1桥墩模型（有竖向隔板） 图4-2桥墩模型（无竖向隔板）
3.1.1.4单元的划分
在创建模型之后，通过对几何模型进行单元的划分才能生成有限元模型，合理的网格划分对有限元软件求解结果的好与坏有直接的影响。为避免自由网格划分生成的不规则单元对计算精准度的影响，本文采用“体扫略网格划分”的方法进行单元划分，源面网格由四边形网格组成，进行体扫略生成规则的六面体网格［43］。如图4-3（b）所示。
（a）整个墩身网格划分 （b）局部网格划分
图4-3 桥墩网格划分
3.1.1.5边界约束的处理
由于该桥墩处于的工程地质条件较好，故不考虑弹性地基效应，近似将该空心墩简化为墩顶自由、墩底固结的悬臂构件。如图4-4所示。
图4-4 墩底固结
3.1.1.6荷载的施加
为了分析超宽圆端形空心薄壁桥墩在成桥运营后的稳定性问题，本文在成桥运营后的模型上，按1:1的荷载比例在桥墩相应的位置上加载，按四线同时行车计算，对超宽圆端形空心墩的模型进行稳定性分析。。荷载取恒载+活载+列车制动力，恒载按照一期恒载（32m双线简支箱梁）和二期横载的总重计算，为20631.56KN,活载
取双孔重载3018KN，列车制动力按两线计算，各线分别为412.87KN，本文计算未考虑风荷载。
3.1.2两种桥墩模型的稳定性分析
3.1.2.1有竖向隔板和无竖向隔板两种桥墩模型的屈曲模态对比
创建有竖向隔板的原空心桥墩模型（如图4-1），对其稳定性问题进行计算分析，然后在原桥墩的基础上去掉竖向隔板，重新建立桥墩模型（如图4-2）。将这两种模型进行稳定性分析的计算结果进行比较。两种桥墩模型的屈曲前五阶屈曲模态见图4-5～图4-9。
隔板）
第一阶屈曲模态（有隔板） 第一阶屈曲模态（无
图4-5 两种桥墩模型的第一阶屈曲模态
第二阶屈曲模态（有隔板） 第二阶屈曲模态（无隔
板）