簡支變連續(xù)剛構(gòu)小箱梁橋墩結(jié)構(gòu)施工過程仿真分析

1、總第252期交通科技S e r i a l N o .2522012年第3期T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e &T e c h n o l o g y N o .3J u n e .2012D O I 10.3963/j.i s s n .1671-7570.2012.03.002收稿日期:2012-01-24簡支變連續(xù)剛構(gòu)小箱梁橋墩結(jié)構(gòu)施工過程仿真分析許健(合樂咨詢(深圳有限公司上海分公司上海200021摘要某城市快速環(huán)路采用高架與軌道一體化建設(shè),上層橋梁采用簡支變連續(xù)剛構(gòu)小箱梁的結(jié)構(gòu)形式,因施工過程中橋墩蓋梁存在截面變化和體系轉(zhuǎn)換,

2、其墩梁固結(jié)部分的受力復雜。采用三維實體單元分析了一體化框架墩特別是蓋梁在各個施工階段的應力分布情況,并得到一些結(jié)論。分析表明,在該類結(jié)構(gòu)設(shè)計時應注意蓋梁鋼束的張拉順序和支架的拆除時機,尤其應注意加強中墩附近邊梁剪扭鋼筋的設(shè)置。關(guān)鍵詞橋墩結(jié)構(gòu)裝配式小箱梁簡支變連續(xù)剛構(gòu)三維實體分析1工程概況某城市環(huán)路采用快速路與軌道一體化建設(shè),高架為H 形立柱雙層結(jié)構(gòu),下層為整體式單室箱梁結(jié)構(gòu);考慮到工程造價、施工條件及工期等要求,上層高架采用裝配式小箱梁。目前國內(nèi)小箱梁常見的結(jié)構(gòu)形式多為簡支變連續(xù)1-2,受蓋梁影響,橋墩處結(jié)構(gòu)整體高度較大。本工程受限于多層交通需要,為減小上層結(jié)構(gòu)高度,采用先簡支后連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)

3、形式,即邊墩采用常規(guī)的隱形蓋梁,中墩處通過墩頂?shù)臐窠涌p將小箱梁與蓋梁固結(jié)起來。施工時,中墩處先現(xiàn)澆形成一期蓋梁并張拉蓋梁第一批鋼束,利用蓋梁作為支撐進行預制小箱梁架設(shè),然后再現(xiàn)澆預制小箱梁間接縫,并通過該接縫與一期蓋梁形成蓋梁組合截面,待小箱梁負彎矩束和蓋梁第二批鋼束張拉完成后,完成連續(xù)剛構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。簡支變連續(xù)剛構(gòu)小箱梁的結(jié)構(gòu)形式較為新穎,小箱梁和蓋梁的受力相對特殊。對框架墩蓋梁而言,不同的截面形式在不同的施工階段承受不同的荷載作用,其受力復雜3-4,且蓋梁橫向尺寸較長,在施工蓋梁第二層截面時,新澆混凝土的收縮速度比蓋梁第一層截面的已澆混凝土(這里S e l f -b a l a n c e

4、d L o a d T e s t R e s e a r c h f o r F o u n d a t i o n P i l e s o f N o .2P i l e o f E r q i Y a n g z i R i v e r B r i d ge Y u K u n 1,Y u X i u y u n 2,L i L i a n x i n 2,Y u C h u n m e i 2,Z h e n g H o n g ji a n 3(1.B r i d g e S c i e n c e R e s e a r c h I n s t i t u t e ,C h i n

5、 a Z h o n g t i e M a j o r B r i d g e E n g i n e e r i n g G r o u p ,W u h a n 430034,C h i n a ;2.Y i c h a n g c o n s t r u c t i o n i n s p e c t i o n &m a n a g e m e n t c o r p o r t i o n ,Y i c h a n g 443000,C h i n a ;3.Z h i j i a n g h i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n

6、b u r e a u ,Z h i j i a n g 443200,C h i n a A b s t r a c t :T h e N o .2p i l e o f E r q i Y a n g z i R i v e r B r i d g e o f W u h a n i s t e s t e d b y s e l f -b a l a n c e d l o a d m e t h o d .T h e s t r e s s o f t h e p i l e a n d t h e d i s p l a c e m e n t s o f t h e O -c e

7、l l o b t a i n e d f r o m s e l f -b a l a n c e d l o a d t e s t a r e c o n -v e r t e d t o t h o s e f r o m t h e c o n v e n t i o n a l s t a t i c l o a d t e s t a n d t h e u l t i m a t e c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e p i l e i s d e t e r m i n e d b y t h e i m p r o v a

8、b l e l o a d d e l i v e r y f u n c t i o n m e t h o d .K e y w o r d s :s e l f -b a l a n c e d l o a d t e s t ;u l t i m a t e c a r r y i ng c a p a c i t y ;th ei m p r o v a b l e l o a d d e l i v e r y f u n c t i o n m e t h o d稱老混凝土快,而老混凝土對其收縮有一定的約束作用,如果新混凝土養(yǎng)護不當,加上環(huán)境溫度的變化作用,很可能會使蓋梁新混凝土

9、在張拉第二批預應力前開裂。事實上,空間梁格的結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果5表明,由于墩梁固結(jié)的原因,張拉第二批蓋梁鋼束時,邊梁在中墩附近產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應力達1.14M P a。為了能夠進一步正確分析蓋梁的復雜受力情況與施工過程可能出現(xiàn)的混凝土開裂問題,并對空間梁格整體模型的計算結(jié)果進行驗證,必須借助三維空間實體有限元來分析整個框架墩在不同施工過程的空間應力分布情況。2計算模型及驗證計算采用A N S Y S空間8節(jié)點實體單元進行。模型截取4跨一聯(lián)的中間墩,相鄰小箱梁截取至跨中,鑒于實體分析目的是著重考察框架墩的橫向受力,而縱向應力對橫向受力影響不大,可假定橋墩兩側(cè)小箱梁受力始終保持跨中對稱。因此,實體模型兩

10、端,即小箱梁跨中施加對稱約束。承臺底面施加固定約束。計算模型見圖1 。圖1計算模型圖框架墩的施工過程通過A N S Y S單元生死技術(shù)實現(xiàn),施工及成橋階段工況劃分見表1。為了驗證框架墩實體模型的有效性,選取蓋梁跨中及挑臂根部上緣,對比了在工況1、2和4下實體模型和空間梁格模型5結(jié)果,見表2。表1蓋梁施工階段以及成橋階段工況劃分工況施工階段描述1張拉第一批蓋梁鋼束2架設(shè)預制小箱梁3澆筑第二部分混凝土并考慮其收縮徐變4張拉第二批蓋梁鋼束5成橋階段(升溫組合6成橋階段(降溫組合表2實體與桿系模型應力比較M P a 工況模型挑臂根部跨中1實體桿系-6.52-6.36-2.81-2.622實體桿系-3.

11、01-2.65-2.66-2.334實體桿系-3.03-3.12-1.25-1.41由表2可見,A N S Y S實體模型與M I D A S空間梁格模型在指定位置處應力結(jié)果吻合較好。因此,該實體模型可以用來分析一體化框架墩在各個施工階段的復雜空間應力。3框架墩空間應力分析3.1張拉第一批鋼束張拉第一批鋼束后,蓋梁上緣壓應力最大值6.58M P a;下緣立柱交界處出現(xiàn)最大值2.31M P a的拉應力,橋墩中心切片處蓋梁下緣拉應力最大值1.26M P a,見圖2 。a蓋梁上、下緣橫向正應力b墩柱中心切片橫向正應力圖2工況1蓋梁橫向正應力/M P a3.2架設(shè)預制小箱梁在架設(shè)完預制小箱梁后,蓋梁全

12、截面受壓,且上、下緣應力較均勻,最大壓應力值為4.27M P a。3.3澆筑蓋梁濕接縫在蓋梁的第二部分混凝土澆筑完成后,由于新舊混凝土蓋梁齡期不同,必然會產(chǎn)生收縮徐變效應?；炷潦湛s采用降溫方法模擬,收縮全部完成后等效降溫值為15,養(yǎng)護715d后混凝土收縮等效降溫溫度值為5左右;混凝土徐變變形采用換算彈性模量法進行考慮。計算結(jié)果表明,蓋梁的第二部分后澆混凝土拉應力較大,最大值為1.52M P a,橋墩中心切片處蓋梁上緣拉應力最大值為1.29M P a,應力云圖見圖3?？紤]到實際715d齡期混凝土抗拉強度較小,若混凝土養(yǎng)護不當,混凝土可能產(chǎn)生較大的收縮應力,如果再考慮環(huán)境溫度的變化引起的應力,則

13、該施工階段混凝土的拉應力可能會超過實際齡期混凝土的抗拉強度,出現(xiàn)裂縫的可能性52012年第3期許健:簡支變連續(xù)剛構(gòu)小箱梁橋墩結(jié)構(gòu)施工過程仿真分析較大。設(shè)計中應加強構(gòu)造配筋,施工時要加強混凝土的養(yǎng)護,并及時張拉蓋梁第二批鋼束 。a蓋梁上、 下緣橫向正應力b墩柱中心切片橫向正應力圖3工況3框架墩橫向正應力/M P a3.4張拉第二批鋼束張拉第二批鋼束后,蓋梁基本處于受壓狀態(tài),但通過剪應力分布圖可以得到,最外側(cè)小箱梁梁端產(chǎn)生1.26M P a的剪應力,如圖4所示,該結(jié)果與空間梁格模型的1.14M P a扭轉(zhuǎn)剪應力非常接近。圖4工況4小箱梁邊梁梁端剪應力/M P a3.5成橋階段組合應力成橋階段考慮二

14、期恒載、車道荷載、梯度溫度、收縮徐變等效應,并按梯度升溫、梯度降溫分為2個工況?？紤]梯度升溫時,除去應力集中區(qū)域的應力,蓋梁挑臂處出現(xiàn)0.41M P a拉應力,其余區(qū)域處于受壓狀態(tài),蓋梁上緣出現(xiàn)最大壓應力為6.29 M P a,見圖5?？紤]梯度降溫時,蓋梁上緣產(chǎn)生較大的拉應力,挑臂上緣拉應力最大值2.38M P a;蓋梁下緣全部受壓,見圖6 。圖5工況5框架墩中心切片橫向正應力/M P aa蓋梁上、 下緣橫向正應力b墩柱中心切片橫向正應力圖6工況6框架墩橫向正應力/M P a4結(jié)論與建議一體化框架墩在各個工況下的計算結(jié)果顯示,一期蓋梁形成并張拉鋼束后,下緣與立柱交界處出現(xiàn)最大2.31M P a

15、的拉應力;蓋梁的第二部分混凝土澆筑后出現(xiàn)最大值1.52M P a拉應力;張拉第二批鋼束后,最外側(cè)小箱梁梁端產(chǎn)生1.26 M P a的剪應力;運營階段考慮梯度降溫時,蓋梁挑臂上緣出現(xiàn)最大值2.38M P a的拉應力。進一步分析以上計算結(jié)果,可發(fā)現(xiàn)簡支變連續(xù)剛構(gòu)體系在構(gòu)造和受力性能上存在一定的特殊性,一些關(guān)鍵點需在設(shè)計和施工中引起重視。(1中墩蓋梁在施工過程中存在截面變化,為減小結(jié)構(gòu)的整體高度,第一次澆筑的蓋梁應盡量輕薄,而小箱梁的架設(shè)又需要在一期截面上完成,對其受力性能有較高的要求,兩者存在一定的矛盾。因此設(shè)計中蓋梁尺寸的擬定和鋼束張拉次序的選擇宜多做比較、優(yōu)化,在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下滿足美觀、

16、經(jīng)濟的設(shè)計初衷;施工時,在滿足設(shè)計要求和施工條件許可的情況下,上層蓋梁支6許健:簡支變連續(xù)剛構(gòu)小箱梁橋墩結(jié)構(gòu)施工過程仿真分析2012年第3期架應盡可能在體系轉(zhuǎn)換完成后拆除。(2中墩蓋梁在截面轉(zhuǎn)換的過程中,第二部分混凝土澆筑完成后,受收縮徐變和環(huán)境溫度變化的影響,出現(xiàn)裂縫的可能性較大。設(shè)計中應加強構(gòu)造配筋,但最關(guān)鍵的還是在施工時采取有效措施加強混凝土的養(yǎng)護,并及時張拉蓋梁第二批鋼束。(3由于蓋梁懸臂較長,剛度相對較小,特別是懸臂端部在荷載作用時變形較大。蓋梁第二批鋼束張拉時,連續(xù)剛構(gòu)體系已形成,蓋梁懸臂端的豎向位移受小箱梁約束,導致最外側(cè)小箱梁梁端的扭轉(zhuǎn)剪應力較大,這一結(jié)果在實體模型和空間梁格模

17、型中均得到了驗證,設(shè)計中應注意加強中墩附近邊梁的剪扭鋼筋。參考文獻1上官萍,房貞政.先簡支后連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)體系的應用研究J .福州大學學報:自然科學版,2000(5:77-81.2陳奉民,張麗娟.“先簡支后連續(xù)”梁橋的設(shè)計及應用J .公路交通技術(shù),2006(1:55-56.3趙興中,馬琳.預制裝配式小箱梁橋橫向分布計算方法的研究分析J .城市道橋與防洪,2009(3:73-75.4彭翠玲,張開銀,涂揚志.簡支轉(zhuǎn)預應力連續(xù)結(jié)構(gòu)受力特性分析與比較J .交通科技,2001(6:45-47.5上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院.寧波市北環(huán)快速路工程(前洋立交康莊南路一體化高架標準段的結(jié)構(gòu)分析報告R .上海:上海

18、市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,2010.S i m u l a t i o n A n a l ys i s f o r C o n s t r u c t i o n P r o c e d u r e s o f R i gi d -f r a m e B r i d g e F o r m e d f r o m S i m p l e S u p p o r t e d S m a l l B o x -g i r d e r X u J i a n (S h a n g h a i B r a n c h o f H a l c r o w C o n s u l t a n t (S h

19、 e n z h e n C o .,L t d .,S h a n gh a i 200021,C h i n a A b s t r a c t :T h e c o n s t r u c t i o n o f t h e f a s t r i n g r o a d o f o n e c i t y u s e s d o u b l e -l e v e l v i a d u c t f o r t h e i n t e g r a t e d v i a d u c t a n d r a i l .T h e u p p e r l e v e l s t r u c

20、t u r e a d o p t s t h e r i g i d -f r a m e f o r m e d f r o m s i m p l e s u p p o r t e d s m a l l b o x -g i r d e r .D u r i n g t h e v i a d u c t c o n s t r u c t i o n ,t h e p i e r c o p i n g e x i s t s c h a n g e s i n c r o s s -s e c t i o n a n d s t r u c -t u r a l s y s t

21、e m t r a n s f o r m a t i o n ,a n d t h e r i g i d p a r t b e t w e e n t h e g i r d e r a n d t h e p i e r s t r u c t u r e p r e s e n t s c o m p l i c a t e d m e c h a n i c a l b e h a v i o r .T h i s p a p e r u s e s 3Ds o l i d e l e m e n t t o a n a l y z e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n s i t u a t i o n o f t h e i n t e g r a t e d f r a m e p i e r e s p e c i a l l y t h e c o p i n g u n d e r d i f f e r e n t c o n s t r u c t i o n s t a g e ,a n d o b -t a i n s s o m e c o n c l u s i o n s w h i c h h a