大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制與仿真分析

1、大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制與仿真分析大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制與仿真分析葉華強(qiáng),李凡(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥230009)摘要:預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)受力和變形情況十分復(fù)雜.以某橋梁工程為例,采用midas/civil軟件建立有限元仿真分析模型,計(jì)算橋梁各施工階段的應(yīng)力和變形情況.將施工過(guò)程中線形控制與應(yīng)力控制的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,探討橋梁關(guān)鍵部位在施工過(guò)程中的應(yīng)力變化規(guī)律,以及有限元分析軟件在工程建沒(méi)中的應(yīng)用價(jià)值.關(guān)鍵詞:連續(xù)剛構(gòu)橋;施工控制;仿真分析;懸臂施工中圖分類(lèi)號(hào):u448.215;u448.23;u445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a文章編號(hào):16735781(20

2、10)06082903近年來(lái),隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),帶動(dòng)了我國(guó)橋梁行業(yè)的快速發(fā)展.連續(xù)剛構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是梁體連續(xù),墩梁固結(jié),并利用高墩的柔度來(lái)適應(yīng)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力,混凝土收縮,徐變和溫度變化所產(chǎn)生的位移l1.由于橋梁設(shè)計(jì)軟件的不斷升級(jí)完善及設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)和能力的提高,預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的跨徑將越來(lái)越大,而這種橋型的使用也將越來(lái)越廣泛2.本文利用某橋梁工程實(shí)際數(shù)據(jù)為例,通過(guò)使用midas/civil有限元軟件對(duì)橋梁懸臂施工階段的應(yīng)力進(jìn)行分析,研究橋梁在施工中的關(guān)鍵截面的變形和受力情況.并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,探討有限元分析軟件在工程建設(shè)中的應(yīng)用和價(jià)值.1工程概況某橋梁為5跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連

3、續(xù)剛構(gòu)橋,由左右兩幅兩座分離式橋梁組成,橋梁全長(zhǎng)4741tl,跨徑組合為50m+l14m-t-140m+114in+56in.橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁,箱梁根部梁高主墩為8in,次主墩為6m,跨中及端部梁高均為3m,梁高以1.8次拋物線變化,頂板寬11.8m,底板寬6.51ti.橋梁下部主墩采用雙薄壁空心墩,墩頂與梁體固結(jié),最高墩78111.期.在主橋橋面上每隔5m設(shè)一個(gè)高程監(jiān)測(cè)點(diǎn),施工過(guò)程中,對(duì)每一梁段的立模,混凝土澆筑前,混凝土澆筑后,張拉預(yù)應(yīng)力鋼束和掛籃移動(dòng)的標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而觀察各點(diǎn)的撓度及箱梁曲線的變化,以保證主橋合龍時(shí)的精度和橋面線形l3.并根據(jù)大跨徑

4、連續(xù)剛構(gòu)橋梁在懸臂澆注過(guò)程中的受力情況,在主橋每跨1/2,1/4處和主墩兩側(cè)等關(guān)鍵控制截面布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),以觀察在施工過(guò)程中這些截面的應(yīng)力變化及應(yīng)力分布情況.共布置12個(gè)截面,8o個(gè)應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)(圖1,圖2).圖1橋梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖_,口:圖2截面應(yīng)力計(jì)布置圖2施工控制方法及措施3有限元仿真及計(jì)算為了保證橋梁建成時(shí)盡可能地接近理想設(shè)計(jì)狀態(tài),同時(shí)也確保施工過(guò)程安全并保證施工質(zhì)量和工收稿日期:20100312;收稿日期:20100412作者簡(jiǎn)介:葉華強(qiáng)(1985一),男,安徽肥東人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;李凡(1967一),男,安徽明光人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授本文采用midas/civil有限

5、元軟件建立主橋三維仿真模型,計(jì)算橋梁整體受力及關(guān)鍵截面的應(yīng)力情工程與建設(shè)2010年第24卷第6期829況.由于高墩大跨徑橋梁的空間結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,所以在有限元建模過(guò)程中,在不影響結(jié)構(gòu)受力的情況下,需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,如忽略箱梁中的齒板,人洞和橫隔板等結(jié)構(gòu)的影響.但為了使結(jié)構(gòu)計(jì)算更接近實(shí)際,仿真模型的結(jié)構(gòu)尺寸和受力特點(diǎn)應(yīng)盡可能的與實(shí)際相符;應(yīng)盡量按照實(shí)際材料參數(shù)來(lái)取模型單元材料的參數(shù);并且在劃分施階段時(shí),也應(yīng)盡可能與實(shí)際施工階段相一致.3.1結(jié)構(gòu)材料參數(shù)主梁材料為c50混凝土,容重2.510n/m.,彈性模量34.5gpa,泊松比0.2;墩身材料為c40混凝土,容重2.510n/m.,彈性模量

6、32.5gpa,泊松比0.2;預(yù)應(yīng)力鋼絞線為astm41692低松弛270級(jí)鋼絞線,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度l860mpa,彈性模量i.9510jmpa.混凝土徐變系數(shù)2.0,收縮應(yīng)變1.510,鋼束松弛率3.5%.3.2結(jié)構(gòu)模型的建立橋梁仿真模型以順橋向?yàn)檩S,橫橋向?yàn)閥軸,豎向?yàn)閦軸建立,共230個(gè)節(jié)點(diǎn);210個(gè)單元;其中主梁共140個(gè)單元,單元尺寸以實(shí)際施工塊段尺寸取值(圖3).主橋按先次中跨合龍,然后解除1,4主墩?qǐng)D3全橋仿真模型墩頂臨時(shí)錨固,再進(jìn)行邊跨合龍,最后中跨合龍的順序施工.在4個(gè)主墩處采用剛性連接與主梁0塊連接,以模擬實(shí)際施_中墩粱固結(jié);主墩與承臺(tái)連接模擬為固定支座,并在邊跨端側(cè)設(shè)置活動(dòng)鉸支座

7、.主橋計(jì)算模型共分為56個(gè)施工工況,每號(hào)塊梁段施工分為3個(gè)工況(澆注混凝土,張拉預(yù)應(yīng)力,掛籃移動(dòng)).4施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析4.1線形控制在橋梁懸臂施工過(guò)程中,線形控制十分重要,需對(duì)各個(gè)施工階段進(jìn)行高程監(jiān)測(cè),為盡量減小溫度的影響,撓度的觀測(cè)安排在早晨太陽(yáng)出來(lái)之前進(jìn)行.在整個(gè)施工過(guò)程中,主要觀測(cè)內(nèi)容包括:掛籃移動(dòng)前后,混凝土澆筑前后,預(yù)加力張拉前后,邊(中)跨合龍前后,830工程與建設(shè)2010年第24卷第6期成橋前后的各項(xiàng)標(biāo)高值.以這些觀測(cè)值為依據(jù),并按照合理的施工預(yù)拱度施工各塊段,可以保證橋梁合龍精度和橋面線形.橋梁施工過(guò)程中施工預(yù)拱度為f壩一/橋+/期徐變+/1,2活裁(1)其中:f頇為施工預(yù)

8、拱度;f,ar為結(jié)構(gòu)某一點(diǎn)在立模后,由于以后的施工操作使該點(diǎn)產(chǎn)生變形,這種變形直到成橋后為止,以向下為正;期徐變?yōu)闃蛄撼蓸?年后由混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的變形,以向下為正;fl,活載為橋梁受到1/2汽車(chē)荷載時(shí)所產(chǎn)生的變形,以向下為正.表1為midas/civil有限元軟件計(jì)算主橋2,3墩上主梁懸臂澆筑過(guò)程中所需設(shè)立的施工預(yù)拱度數(shù)據(jù).圖4為主橋在成橋后2主墩上主梁各節(jié)點(diǎn)的位移曲線圖.表1施工控制預(yù)棋度rnm施一段號(hào)2墩施:【預(yù)拱度3墩施工預(yù)拱度次中跨側(cè)中跨側(cè)次中跨側(cè)中跨側(cè)32.643o.2331.9433.9936.3639.1143.2347.1751.3155.9260.8264.7866.4

9、364.7560.9251.4937.5231.6627.6328.2o29.163o.5232.3435.3838.4041.8245.935o.5854.5656.5955.6152.7944.6232.o6罨氣鍔寫(xiě)一計(jì):圖4橋梁成橋后2主墩上主梁各點(diǎn)位移從圖4可以看出,成橋后2主墩上主梁各點(diǎn)的位移主要由預(yù)應(yīng)力和恒荷載引起的.但由于預(yù)應(yīng)力使梁段產(chǎn)生向上的位移,恒荷載使梁段產(chǎn)生向下的位s3卯船昭宅號(hào)瑚瑚l耋砸296303692目u,漤移,兩者相互抵消,致使主梁最終位移較小,均在3cit.以?xún)?nèi).主梁由混凝土收縮徐變引起的位移較小.但是在14梁塊處,由混凝土收縮徐變引起的位移達(dá)4.1mm,占總位

10、移的36%.因此,不能忽視混凝土收縮徐變的影響.4.2應(yīng)力控制在高墩連續(xù)梁橋懸臂施工過(guò)程中,進(jìn)行應(yīng)力控制可以保證施工的安全.應(yīng)力監(jiān)測(cè)所測(cè)得的應(yīng)力數(shù)據(jù)受到多種因素(如溫度,收縮,徐變以及施工臨時(shí)荷載等)的影響.因此實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)包括了溫度應(yīng)力,混凝土收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力等.所以在處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)按照規(guī)范要求,將溫度,混凝土收縮徐變應(yīng)力給予剔除.圖5為成橋后全橋各應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與計(jì)算值對(duì)比圖;表2給出2墩c截面在各粱段施工過(guò)程中對(duì)應(yīng)工況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù).8委7453abcdefghijk(a)成橋后各截面頂部應(yīng)力對(duì)比(b)成橋后各截面胝郡應(yīng)力對(duì)比圖5成橋后全橋各應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與計(jì)算值

11、對(duì)比從圖5可知,成橋后各截面均處于受壓狀態(tài),并且應(yīng)力值的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值基本吻合,其變化趨勢(shì)相同.成橋后在跨中處(a,f,g,1)截面頂部均比墩頂附近(c,d,i,j)應(yīng)力值小,而跨中的截面底部應(yīng)力均比墩頂附近大.截面頂部應(yīng)力在跨中小于底部,但在各墩頂附近截面頂部應(yīng)力大于截面底部應(yīng)力.這種截面應(yīng)力分布與橋梁在其自重荷載作用下分布相反,由此可得,成橋后主梁各截面應(yīng)力分布符合橋梁受力特性,并有利于提高橋梁運(yùn)營(yíng)階段的安全儲(chǔ)備.在整個(gè)懸臂施工過(guò)程中,最大拉應(yīng)力計(jì)算值為0.08mpa,實(shí)測(cè)值為0.45mpa;最大壓應(yīng)力計(jì)算值為8.31mpa,實(shí)測(cè)值為8.25mpa,均在規(guī)范要求范圍內(nèi),說(shuō)明橋梁在施工過(guò)程中

12、結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài),并有一定的安全儲(chǔ)備.表2主橋2墩c截面實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算值對(duì)比表gpa梁段工況面頇蓋1塊移掛籃o.590.081.370.200.183塊移掛籃2.660.012.561.790.484塊移掛籃3.680.064.172.120.455塊移掛籃4.640.194.102.740.806塊張拉后5.600.314.132.830.987#塊張拉后6.270.706.623.371.o58塊張拉后6.831.185.813.641.359塊張拉后7.351.686.194.071.7610#塊澆筑后6.432.596.533.862.o411#塊澆筑后6.843.186.674.70

13、2.2214#塊澆筑后6.955.737.5l6.206.1715塊澆筑后6.956.637.036.356.47l6塊澆筑后6.897.617.956.506.8216塊張拉后8.077.3o8.156.507.2417塊張拉后7.948.317.8o6.678.25注:表中壓應(yīng)力為正,拉應(yīng)力為負(fù).5結(jié)束語(yǔ)(1)在橋梁施工過(guò)程中,實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值相差不大,且應(yīng)力值均在規(guī)范要求之內(nèi).成橋后各截面的應(yīng)力分布有利于提高橋梁在今后運(yùn)營(yíng)階段的承載能力.(2)主梁關(guān)鍵截面的受力和變形規(guī)律均符合實(shí)際工程情況,可以說(shuō)明有限元軟件能夠較好的反映橋梁的實(shí)際施工情況.值得在今后的橋梁設(shè)計(jì)和施工控制領(lǐng)域進(jìn)行推廣.參考文獻(xiàn)1范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋m.北京:人民交通出版社,1999.2王文濤.剛構(gòu)連續(xù)組合梁橋m.北京:人民交通出版社,1997.3馬保林.高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋m.北京:人民交通出版社,2001.4武芳文,薛