公路混凝土护栏计算分析.doc

公路混凝土护栏计算分析公路混凝土护栏计算分析佘江,陈建璋(北京交科公路勘察设计研究院有限公司,北京100044)摘要:混凝土护栏是公路桥梁上一种常用的附属设施.本文针对桥梁上常用的混凝土护栏,采用大型有限元软件,分别建立护栏单独受力及护栏与桥梁整体受力的实体模型,对其在规范规定的荷载作用下的受力情况进行分析.研究护栏在不同荷载模式作用下的应力分布情况,为护栏标准图的设计及规范所述设计荷载分布宽度的优化提供参考.关键词:护栏;ANSYS;主拉应力中图分类号:U44文献标识码:B为了对现有规范规定的各种护栏结构形式进行优化,根据合理性将其方案进行选择,以制定统一的标准图,故对现有规范上不同的初步设计方案进行详细计算分析,以得到合理的计算参数和设计参数.1计算说明(1)计算理论:本文采用大型通用有限元软件ANSYS进行计算,计算中采用弹性理论未考虑非线性影响.(2)计算模型:按结构实际情况,采用空间实体单元对结构进行模拟.采用ANSYS单元库中的Solid65单元模拟混凝土材料,SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型.该实体模型可具有拉裂与压碎的性能.该单元具有8个节点,每个节点有3个自由度,即,Y,三个方向的线位移.因为是为下步护栏配筋进行参考,故在计算模型中未考虑钢筋的影响.考虑到荷载分布宽度的影响,模型的长度选择20m,以充分考虑荷载作用点两侧混凝土的约束作用.(3)结构型式:本文分别就护栏单独受力及护栏与桥梁作为整体受力,进行计算分析,按照公路交通安全设施设计细则(JTG/TD812006)中所规定的混凝土护栏的型式进行计算,护栏混凝土等级为C30.(4)设计荷载:按照公路交通安全设施设计细则(JTG/TD812006)中所规定的混凝土护栏碰撞荷载分布表,按照相应的荷载等级分别对不同型式护栏进行计算.为了分析荷载效应对结构的影响,分别采用集中力及均布荷载对结构进行计算比对.2护栏单独受力分析2.1F型A(Am)级护栏计算在建立模型时约束护栏底面节点的所有自由度,同时将均布荷载转换为等效节点荷载施加在模型上,相关分析结果如下.0.1l6232.348.464图1F型A级护栏截面图2F型护栏实体模型由以上分析结果可以得出,在均布荷载作用下护栏的应力沿荷载分布长度均匀分布,最大主拉应力or=2.06MPa,出现在护栏变破点的位置.护栏墙背作者简介:余江(1982一),男,四川青神人,助理工程师,工学硕士,从事大跨径桥梁设计及研究.2011年12期(总第84期)259%能O图3均布荷栽作用下主拉应力图图4集中荷载作用下主拉厘力图顶端处的主拉应力=0.48MPa,比最大值小了一个数量级.护栏最大位移为DX=0.113ram.由上面图形可以直接看出,集中荷载作用下的应力分布则跟均布荷载作用下完全不同.在荷载作用点周围出现了应力集中区域,其最大主拉应力盯=8.89MPa,在作用点与地面的垂线上的护栏位置应力都很大,变坡点处应力仅小于荷载作用点位置的应力.护栏墙背顶端处出现了=2.78MPa的主拉应力.护栏最大位移为DX=0.444mm,与均布荷载相比明显增大了.2.2F型SB(SBm)级护栏计算由以上分析结果可以得出,在均布荷载作用下护栏的应力沿荷载分布长度均匀分布,最大主拉应力=3.67MPa,出现在护栏变坡点的位置.护栏墙背顶端处的主拉应力or=0.43MPa,比最大值小了一个数量级.护栏最大位移为DX=0.235mm.2.3F型SA(SAm)级护栏计算由以上分析结果可以得出,在均布荷载作用下护栏的应力沿荷载分布长度均匀分布,最大主拉应力or=3.57MPa,出现在护栏变破点的位置.护栏墙背顶端处的主拉应力or=0.417MPp,比最大值小了一个数量级.护栏最大位移为DX=0.274mm.26o2011年12期(总第84期)图5F型SB(SBm)级护栏截面.495990428890.135E十O7.228E+07.320E+O733550891330.182E+07.274E+07.367E+07图6均布荷载作用下护栏主拉应图图7F型SA(SAm)级护栏截面由上面图形可以直接看出,集中荷载作用下的应力分布则跟均布荷载作用下完全不同.在荷载作用点周围出现了应力集中区域,其最大主拉应力=19.9MPp,变坡点处应力仅小于荷载作用点位置的应力.护栏墙背顶端处出现了or=5.48MPa的主拉应力.护栏最大位移为DX=1.1mm,与均布荷载相比几乎增加了301%.3护栏与桥梁整体受力分析在桥梁结构中,护栏与主梁往往是作为整体参与结构受力的.为了更真实的反应护栏的受力情况,故0j.482936417027.132E+07.222E+07.3l2E+07.32955867008.177E+07.267E+07图8均布荷载作用下护栏主拉应力图.234E+08.138E+08.416E+07.548E十O7.151E+08.186E+08一.898E+07659115103E+08.199E+08图9集中荷载作用护栏主拉应力图建立护栏和桥梁的整体模型进行分析.采用公路工程中常用的小箱梁作为主梁,小箱梁的边主梁和中主梁按照桥梁设计标准图上的尺寸绘制,桥长20m,支承方式为简支.主梁混凝土采用C50.考虑到结构自重对护栏受力的有利方面,在计算中未计结构自重.由图8可得,在均布荷载作用下护栏中的应力与图9相比有了很大变化,护栏应力分布更加均匀,变坡点处的应力相对于其它部位仍较大13=2.36MPa,但小于图9中变坡点处主拉应力.最大主拉应力出现在桥面板与护栏的结合部位=11.7MPa,桥面板处较为危险,护栏中应力较单独考虑护栏时有明显降低,说明护栏与主梁按刚度进行了内力分配.护栏最大位移DX=4.326mm,比考虑护栏底部为固定端有了极大提高.同时在护栏的墙背出现了较为明显的主拉应力分布O-:0.8MPa.由图10可得,在集中荷载作用下护栏中的应力与图9相比有了一些变化,其中护栏的应力分布范围有了沿纵向明显增大.护栏中应力与图9中的相比略微有所下降,应力集中点的=19.9MPa与前相比无变化,变坡点处未出现较大应力,这点与图9中有区别.桥面板与护栏底部结合处的应力很大,>10.2MPa.护栏最大位移DX=4.326mm.图10F型SA(SAm)级护栏与主梁的实体模型图11均布荷载作用下)级护栏的主拉应力-.235E+08138E+08.420E+07.543E+07.151E+O8186E+08.901E+076I5991.102E+08.199E+O8图12集中荷栽作用下护栏的主拉应力4结论(1)分析结果表明,护栏的变坡点处是危险截面,在设计时应作为控制因素.(2)同等级护栏均布荷载和集中力荷载计算结果的巨大差异表明,均布荷载的分布宽度是否过长.在集中力作用下,沿护栏纵向有与主拉应力同等级的拉应力,而在分布荷载中纵向拉应力则较小.至于实际情况下的护栏纵向受力,还有待进一步分析.(3)集中力作用点附近的极大主拉应力,符合2011年12期(总第84期)261弹性力学圣维南原理,但是其不作为截面设计的控制因素.(4)在均布荷载作用下,由SA(SAm)级与sB(SBm)级的结果比较得出,前者的设计荷载虽然大于后者,但是前者的主拉应力or=3.57MPa却小于后者orb=3.67MPa.(5)在考虑护栏与桥梁的整体受力,经过可以分析可以得出护栏中应力相对与单独分析护栏时是偏于安全的.可以看出主梁分担了一部分荷载,但是作为护栏向主梁传递应力的护栏与主梁结合处的受力则是很不利的,但是不同跨度的桥梁,以及不同的桥型对护栏受力的影响都还有待进一步的分析.参考文献:1郝文化.ANSYS土木工程应用实例.中国水利水电出版社,20052JTG/TD812006,公路交通安全设施设计细则.)(上接第231页)和质量作为一项重要工作,需要建设方,设计方,监理方,施工方和监测方的密切协作,才能做到万元一失.针对绍诸高速隧道工程,结果表明对控制隧道的安全和质量切实有效.(2)通过引入独立的第三方,结合隧道实际情况,对隧道进行了监控等级划分,不同的等级采用不同的监测内容,做到了有的放矢.建立了安全预警机制,制定了相应的应急预案,从地质预报和监控量测两个方面控制安全,通过元宝山隧道预警案例,得到了验证.(3)施工过程中的质量检测尤为关键,初支和二衬前后断面轮廓检测,可以及时掌握超欠挖及支护厚度,对调整施工参数,优化施工方法至关重要.锚杆检测和衬砌质量检测应紧随施工,要做到及时发现2622011年12期(总第84期)问题,及时解决问题,这样才能从根本上保证工程的安全和质量.参考文献:1刘志刚,赵勇.隧道隧洞施工地质技术.北京:中国铁道出版社,2001.2赵永贵,刘浩,孙字