范例09施工階段大跨滿堂支架橋梁安全性分析

1、1. 概要本例題為大跨滿堂支架橋梁主橋與引橋連接部的詳細(xì)分析例題。通過MIDAS/FEA與Civil程序進行實體單元詳細(xì)分析和桿系模型分析，驗證結(jié)構(gòu)的安全性。分析對象為3×70m三跨連續(xù)變寬箱梁，兩線連接部位的主梁截面為變寬段，僅用桿系分析是無法得到精確解的。2. 橋梁信息 2.1 橋梁幾何信息橋梁類型：三跨連續(xù)箱梁（滿堂支架施工方法）橋梁跨徑：L = 70.0+70.0+ 70.0 = 210.0 m橋梁寬度：B = 16.370m25.690 m 終點截面 橋梁橫斷面圖 起點截面(主線與引線相交處)平面圖縱斷面圖 橋梁平面圖 2.2 分析條件本橋施工順序如下圖所示，考慮收縮徐變特

2、性進行施工階段分析。 施工順序 施工支架第一施工階段 第一跨模版安裝 / 澆筑混凝土 / 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束第二施工階段 第二跨模版安裝 / 澆筑混凝土 / 張拉預(yù)應(yīng)力第三施工階段 第三跨模版安裝 / 澆筑混凝土 / 張拉預(yù)應(yīng)力3. 模型對結(jié)構(gòu)進行施工階段分析，查看施工過程中的自重、預(yù)應(yīng)力荷載等效應(yīng)以及成橋階段的二期荷載的效應(yīng)。首先在midas FEA程序中建立主梁結(jié)構(gòu)的幾何體模型，然后通過“自動網(wǎng)格劃分”功能來生成實體網(wǎng)格單元。 幾何體模型 為了生成主梁網(wǎng)格單元建立的幾何體模型為了生成鋼束單元建立的幾何曲線3.1 分析模型(1)對全橋模型進行實體單元建模分析，采用四面體單元建立混凝土箱梁，共劃分

3、為15萬個左右的四面體網(wǎng)格。 (2)鋼束采用程序中的植入式單元（鋼筋單元）來建模。 建立模型 自動網(wǎng)格劃分橫隔板細(xì)部網(wǎng)格預(yù)應(yīng)力鋼筋單元 三維透視圖 3 Curve GeomertyAuoMesh Geometry Model 二期荷載 3.2 材料及截面特性(1) 混凝土及鋼筋材料特性材料名稱E(MPa)(kN/m3)混凝土(45MPa)31,00025鋼材(鋼束)200,00078.5(2) 鋼材的材料特性材料名稱尺寸根數(shù)(EA)面積(m2)張拉荷載(tonf)鋼束 0.6 inch (15.2 mm)220.003051405.83(3) 計算鋼束預(yù)應(yīng)力損失的參數(shù) 預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的

4、摩擦系數(shù) : =0.25 (1/rad.) 管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù) : k=0.0050 (1/m) 錨具變形 : 0.006 (m)3.3 邊界條件及荷載條件對支座尺寸范圍內(nèi)的區(qū)域按剛性連接處理后，添加約束條件。施加橋面鋪裝荷載與防撞墻二期荷載。邊界條件 3.4 梁單元模型 梁分析模型如下圖所示，使用MIDAS/Civil 2006程序進行分析。 梁單元模型 4. 分析結(jié)果對上述兩個模型進行四階段施工階段分析，分析中考慮時間依存材料特性。比較各施工階段的應(yīng)力分布結(jié)果，特別是要查看橋梁起點（主線與引線連接部）的詳細(xì)應(yīng)力分布情況。4.1 反力結(jié)果查看梁單元模型與實體單元模型的反力結(jié)果。

5、每個支點設(shè)置三個支座，梁單元模型中為了模擬多支座，利用剛性連接與彈性連接來建模（如下圖所示）。實體單元模型的支座 橋梁邊界條件 梁單元模型的支座下圖是在各施工階段發(fā)生的支座反力結(jié)果。對于線框架模型定義多支座時，一般采用剛臂直接連接邊界條件的方法或剛性連接與彈性連接（如本例題）建模方法，前者計算的反力大部分集中在內(nèi)側(cè)支座，后者計算的反力由三個支座均勻分擔(dān)（如下圖所示）。但如本例題詳細(xì)分析結(jié)果，反而是外側(cè)支座分擔(dān)了更多的荷載。對于此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，僅采用梁單元模型分析反力結(jié)果是不準(zhǔn)確的，必需要進行三維實體分析來求出精確解。實體單元反力結(jié)果(kN)線框架分析反力結(jié)果(kN)P5_FEAP5_Civil

6、2006P4_Civil 2006P4_FEAP3_Civil 2006P3_FEAP2_Civil 2006P2_FEA4.2 應(yīng)力結(jié)果梁單元模型的各施工階段縱向應(yīng)力分布如下圖。因為施加了預(yù)應(yīng)力荷載，上下緣的應(yīng)力均為受壓狀態(tài)。下緣的應(yīng)力不連續(xù)的原因是預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力引起的。上緣最大壓應(yīng)力結(jié)果8.13MPa10.08MPa，下緣的最大壓應(yīng)力結(jié)果為6.74MPa9.28MPa。上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力第一施工階段梁單元模型各施工階段應(yīng)力結(jié)果 第四施工階段上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力第二施工階段上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力第三施工階段上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力下圖是實體單元模型的各施工階段縱向應(yīng)力分布圖。上緣最大壓應(yīng)力為9.97MPa1

7、1.45MPa，下緣的最大壓應(yīng)力為10.5MPa13.4MPa。第一施工階段第二施工階段第三施工階段實體單元詳細(xì)分析各施工階段應(yīng)力結(jié)果 第四施工階段將上述兩種分析結(jié)果用圖表方式進行比較，比較下圖所示位置的各施工階段的應(yīng)力結(jié)果。 截面應(yīng)力查看位置 從應(yīng)力比較圖中可以看出梁單元模型與實體單元模型的結(jié)果差異還是非常明顯的。梁單元模型相對實體單元模型，第一施工階段的上緣應(yīng)力結(jié)果偏大，下緣應(yīng)力偏小。支座截面上緣應(yīng)力在所有施工階段都有差異。這時因為梁單元模型中模擬的橫隔梁的作用使梁單元模型在支座位置的截面沿橫向應(yīng)力均勻變小，而實體單元模型在靠近懸臂翼緣外端部應(yīng)力減小率會降低。 在第一施工階段的應(yīng)力比較中看

8、出，內(nèi)側(cè)支座區(qū)域以及腹板鋼束錨固區(qū)域的應(yīng)力差異很大。P1支點處的實體單元的分析結(jié)果為，頂板外邊緣應(yīng)力約為-6.0 MPa，頂板中心為-2.6MPa。梁單元模型的頂板上緣應(yīng)力約為-3.5MPa，與實體單元的頂板中心的應(yīng)力較接近。這是因為截面有剪力滯效應(yīng)，負(fù)彎矩對頂板外邊緣的應(yīng)力影響相對較小。 鋼束錨固點處的梁單元模型的截面上、下緣應(yīng)力約為-2.5MPa和-6.0MPa，而實體單元分析分析結(jié)果為0.0MPa和-1.5MPa。這是因為實體單元分析的預(yù)應(yīng)力荷載的應(yīng)力大部分集中在腹板上的原因，實體單元分析的結(jié)果更接近于真實情況。上緣應(yīng)力(MPa)下緣應(yīng)力(MPa)0.0m（P2節(jié)點基準(zhǔn)）85.0m（P2

9、節(jié)點基準(zhǔn)） 應(yīng)力結(jié)果圖 4.3 主、引橋連接部位的應(yīng)力結(jié)果主橋與引橋連接處（P2支點）的截面為非對稱截面，橋梁端部是由兩個平面組成的，其支座也不在一條直線上。對于此類復(fù)雜橋梁必需要使用實體單元分析才能計算出更精確的結(jié)果。 P2支點的反力相對于其它支點處的反力分配的稍微大一些，應(yīng)力也是非對稱分布的。查看截面變寬段的應(yīng)力分布情況。 連接處支座布置查看以P2支點起點，橋梁縱向變化的應(yīng)力分布圖及截面上緣的橫向應(yīng)力分布圖。0.00.5m區(qū)段因預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉，使腹板中心的壓應(yīng)力集中分布。到了1.5m7.0m區(qū)段為截面變寬段，截面左右的應(yīng)力分布是非對稱的。 查看截面上緣的橫向應(yīng)力分布圖，在變寬段的橫向應(yīng)力分布也是非均勻的，直到快接近等寬段開始漸漸均勻分布。截面豎直方向的應(yīng)力分布圖0.0m(P2支點基準(zhǔn))1.0m4.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力結(jié)果查看預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力結(jié)果。下圖為實體單元詳細(xì)分析的鋼筋應(yīng)力結(jié)果。預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力情況查看線框架分析與實體單元分析的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力結(jié)果。下圖為隨時間變化的預(yù)應(yīng)力損失圖表。發(fā)現(xiàn)實體單元分析的應(yīng)力損失比線框架分析的應(yīng)