余 舜， 張 娟， 王 平， 鄭俊杰

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2.中國一冶集團有限公司， 湖北 武漢 430081)

傳統(tǒng)的砂袋加載預(yù)壓橋梁支撐架的方法存在一些弊端，如雨天砂袋吸水，導(dǎo)致砂袋自重增加，產(chǎn)生超載；砂袋計量不準(zhǔn)確，加載試驗不規(guī)范等，這些弊端會給加載預(yù)壓試驗的安全留下隱患。本文所研究的可移動式預(yù)制構(gòu)件加載系統(tǒng)是一種新型的橋梁加載預(yù)壓試驗系統(tǒng)。此方法的創(chuàng)新在于：首先用預(yù)制構(gòu)件作為加載材料，根據(jù)箱形梁各部位預(yù)壓荷載大小的不同，可相應(yīng)選擇不同尺寸、不同重量的預(yù)制構(gòu)件，這樣就不會受到下雨增加自重的影響，如此荷載的計量會更加準(zhǔn)確，同時也使施工更加安全、高效；其次通過在橋梁一端使用小型吊車將預(yù)制構(gòu)件吊上軌道，然后使用運輸小車調(diào)運預(yù)制構(gòu)件到位，如圖1所示。這樣就不會占道施工，并且可以隨時施工作業(yè)，可以大幅度縮短工期；另外，相比傳統(tǒng)砂袋加載預(yù)壓方法，新型加載預(yù)壓方法中使用的預(yù)制構(gòu)件可以重復(fù)使用，符合循環(huán)、低碳、節(jié)能環(huán)保等方面的要求。

現(xiàn)有的對橋梁支撐架的研究大多是針對橋梁支撐架在施工過程中的靜力分析，目前對橋梁支撐架結(jié)構(gòu)分析的計算方法主要分為三大類：無側(cè)移剛架法、鉸接計算法和半剛性節(jié)點法。由于無側(cè)移剛架法無側(cè)向水平位移，因而其變形條件只能在剛結(jié)點發(fā)生轉(zhuǎn)角，所以其結(jié)果與鉸接點的結(jié)果相同[1]。鉸接計算法假定扣件的連接為無滑移、無剛接影響，并認(rèn)為橫桿在框架結(jié)構(gòu)體系中是不受力作用的，只是起到了減少立桿有效長度的作用[2]。按半剛性連接分析的理論值與實驗值比較接近。因此，扣件的轉(zhuǎn)動剛度對保證理論分析的準(zhǔn)確性十分重要。半剛性節(jié)點方法認(rèn)為支撐架是由縱向、橫向水平桿組成的多層多跨空間框架結(jié)構(gòu)，節(jié)點由于采用扣件連接而具有半剛性且抗扭轉(zhuǎn)剛度與扣件質(zhì)量和擰緊程度密切相關(guān)，半剛性假設(shè)比較符合扣件的實際情況[3～5]。

圖1 新型加載試驗照片

本文所研究的采用可移動預(yù)制構(gòu)件對橋梁支撐架進行加載試驗是一種新型加載試驗方法，該方法需要小車運輸預(yù)制構(gòu)件，運輸預(yù)制構(gòu)件過程中運輸小車對橋梁支撐架將產(chǎn)生額外的運動荷載影響，之前沒有相關(guān)研究。為了保證施工安全，需要考慮運輸小車對橋梁支撐架的動力荷載影響，并對附加的動力荷載作用規(guī)律進行分析。本文采用ANSYS對可移動式預(yù)制構(gòu)件用于橋梁支撐架的加載過程進行數(shù)值模擬，研究了小車在不同運送速度條件下橋梁支撐架的動靜力特性，并著重對比分析了支撐架桿件動靜力響應(yīng)峰值之間的差別。

1 數(shù)值模型

1.1 單元類型、材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS進行數(shù)值模擬分析，計算選取橋梁支撐架為研究對象，計算范圍為沿橋梁支撐架縱向長度27 m，橫向?qū)挾葹?8 m，橋梁支撐架高度為18 m。支撐架與其扣件間的連接作用較復(fù)雜，本模型中假設(shè)橋梁支撐架的連接為剛性連接，故模型中采用BEAM4單元進行模擬；為了考慮支撐架和下部土體的相互作用帶來的影響，支撐架底部設(shè)置LINK8單元來模擬；支撐架上部分別鋪設(shè)鋼模板和松木板，計算時將其等效為一個整體箱梁模板，采用SOLID45單元進行模擬，材料參數(shù)采用復(fù)合法計算得到；采用BEAM4單元來模擬箱梁模板上的小車運送軌道。材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1，表中LINK8僅為模擬支撐架和土體的相互作用，故沒有密度。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

模型的邊界條件為：在整個模型底部設(shè)置x、y、z三個方向約束，在支撐架底部設(shè)置x、y方向約束。整個模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，共有61432個單元，23064個節(jié)點。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.2 運送荷載的確定及施加方法

相對于傳統(tǒng)加載方法，橋梁支撐架可移動式加載系統(tǒng)的特點在于：在加載過程中需要運輸小車運送預(yù)制構(gòu)件。因此對于這種新型的可移動式加載方法來說，在根據(jù)相關(guān)荷載分布資料計算靜力荷載的基礎(chǔ)上，還需要分析動力荷載的影響程度。

目前關(guān)于加載小車的動力荷載的確定方法尚不明確，也未見相關(guān)的試驗結(jié)果及理論研究成果。因此，本課題在確定加載小車的動力荷載時，只能借鑒列車動荷載的確定方法。用一個激振力函數(shù)來模擬列車荷載，其表達式為[6]：

F(t)=P0+P1sinX1t+P2sinX2t+P3sinX3t

(1)

實際上運輸小車形成的沖擊動力荷載不同于多輪組列車荷載。對于多輪組列車荷載而言，軌道上的某一個節(jié)點會連續(xù)受到列車車輪的沖擊作用；但對于運輸小車形成的動力荷載而言，在一次運輸過程中軌道上的某一個節(jié)點只會受到一次類似于脈沖式的沖擊作用。因此，在實際模擬過程中，需要依照小車實際的運行速度，對軌道上的節(jié)點依次施加圖3所示的脈沖式的沖擊荷載。圖中0時刻表示小車前輪到達目標(biāo)節(jié)點前一個相鄰節(jié)點的時間；t1時刻表示小車前輪到達目標(biāo)節(jié)點的時間；t2時刻表示小車后輪到達目標(biāo)節(jié)點的時間；t3時刻表示小車后輪離開目標(biāo)節(jié)點后一個相鄰節(jié)點的時間。在上述脈沖式?jīng)_擊荷載的確定過程中，采用了結(jié)構(gòu)力學(xué)中外荷載等效節(jié)點力的求解方法，這樣可以較為真實地模擬各個加載條件下橋梁支撐架的實際動力響應(yīng)。

圖3 在每個節(jié)點上施加的脈沖式的沖擊荷載

由于支撐架、模板等均采用線彈性模型進行模擬，疊加原理是有效的。因此，本章的動力分析通過先計算得到各個加載條件下的靜力計算結(jié)果，然后疊加動力響應(yīng)結(jié)果，即可得各個加載條件下橋梁支撐架的實際動力響應(yīng)。

在分析橋梁支撐架結(jié)構(gòu)受到靜力作用與動力作用時所采用的基本計算模型相同，只是所施加荷載不同。荷載的施加方式為將荷載平均施加到相應(yīng)的節(jié)點，在動力計算中使用ANSYS瞬態(tài)求解器計算動力作用效應(yīng)，并控制每個節(jié)點的脈沖式的沖擊荷載時間t1、t2和t3。

1.3 分析工況及模擬過程

實際施工中有兩層預(yù)制構(gòu)件，分奇、偶車道分別運輸，運輸小車同時在加載模板上的奇數(shù)車道或偶數(shù)車道上調(diào)運預(yù)制塊。如圖4所示，本模型沿x方向共有11個車軌，10個車道，其中5個奇數(shù)車道，5個偶數(shù)車道，車軌從左至右編號依次為1～11。加載試驗過程中所施加的預(yù)制構(gòu)件共分為兩層，分四次運送至箱梁模板上。施工順序為：先堆放第一層的奇數(shù)車道，然后堆放第一層的偶數(shù)車道，接著堆放第二層的奇數(shù)車道，最后堆放第二層的偶數(shù)車道。

圖4 分析模型整體示意

在動力分析中計算運輸小車在不同速度下，不同動力加載工況對應(yīng)的支撐架受力和變形情況。共計算分析了12種工況，其中前8個工況的小車速度為6 km/h，后四個工況的小車速度分別為2 km/h、4 km/h、8 km/h和10 km/h，各工況的詳細(xì)說明見表2及其備注。

表2 模型計算工況

注：表格中的G、O分別表示奇數(shù)和偶數(shù)車道，1、2分別表示第一層和第二層車道，例如G1表示第一層奇數(shù)車道；k1～k15為車道的預(yù)制構(gòu)件編號，具體編號位置如圖4所示。

2 加載過程中運送動載的影響規(guī)律

由于桿件單元數(shù)量龐大，為了分析方便，重點選取幾個特征橫斷面上的桿件單元分析受力、變形情況，如圖5所示，分別選取1/4跨橫截面和1/2跨橫截面上的代號為A-H的桿單元進行分析，從圖中可以看出各個重點分析桿單元的分布情況。

圖5 數(shù)據(jù)分析中選取的重點分析桿件示意

2.1 典型桿件的軸力時程

圖6、7分別給出了速度為6 km/h，工況6條件下1/2跨斷面上典型桿件E、H的軸力時程曲線圖。

圖6 典型桿件E的軸力時程曲線(v=6 km/h)

圖7 典型桿件H的軸力時程曲線(v=6 km/h)

2.2 加載過程中典型桿件響應(yīng)峰值

在表3中統(tǒng)計了速度為6 km/h時典型部位支撐架構(gòu)件在整個工況時間內(nèi)的最大軸力值(表中負(fù)號表示受壓，正號表示受拉)。表4給出了速度為6 km/h時動靜力響應(yīng)峰值的差值占靜力峰值的比例。

表3 典型部位支撐架構(gòu)件最大軸力值

表4 各工況下典型部位桿件軸力動靜力響應(yīng)峰值對比

隨著加載的進行，堆放在支撐架上的預(yù)制塊不斷增多，而小車動荷載卻基本不變(小車動荷載只與正在運送的預(yù)制塊的數(shù)量及分布情況相關(guān)，與已經(jīng)運送就位的預(yù)制塊數(shù)量無關(guān))。相應(yīng)地，小車動荷載所占總荷載(靜+動)的比重降低。從整體上看，隨著加載的進行，典型部位支撐架桿件動靜力響應(yīng)峰值之間的相對差值逐步降低。

在工況1～4中，堆放在支撐架上的預(yù)制塊并不多，相對于最不利工況而言，支撐架桿件上的軸力要小很多。因此，盡管這些工況下動力響應(yīng)放大系數(shù)很大，但并不會控制橋梁支撐架的設(shè)計，而真正控制設(shè)計的工況為加載即將完成的工況，如工況8。對于工況8來說，當(dāng)小車運行速度為6 km/h時，計算得到的橋梁支撐架各典型桿件軸力動靜力響應(yīng)峰值相差約為4.28%～9.11%之間，均未超過10%，應(yīng)該說此時小車動荷載對橋梁支撐架的影響并不是特別突出，在實際的橋梁支撐架設(shè)計分析中，可在靜力分析的基礎(chǔ)上，另外考慮一個10%左右的動力效應(yīng)放大系數(shù)。

3 運送速度對支撐架的動力影響

前面給出了速度為6 km/h時各工況下動靜力響應(yīng)峰值的差值占靜力峰值的比例。表5、6分別給出了速度增大到8 km/h和10 km/h時工況11和工況12下動靜力響應(yīng)峰值的差值占靜力峰值的比例。

表5 工況11典型部位桿件軸力動靜力響應(yīng)峰值對比

表6 工況12典型部位桿件軸力動靜力響應(yīng)峰值對比

根據(jù)前面的動靜力響應(yīng)峰值計算結(jié)果，典型支撐架桿件A、H的動靜力響應(yīng)峰值相對差值隨速度的變化曲線如圖8、9所示。從圖中可以看出，隨著速度的增加，各典型桿件的動靜力響應(yīng)峰值相對差值逐漸增大，即速度越大，動荷載對橋梁支撐架的受力影響隨之增大，且從整體上看，速度越大，支撐架受力影響的增長速率越快。

圖8 A桿動靜力響應(yīng)峰值相對差值隨小車速度變化曲線

4 結(jié) 論

(1)隨著加載的進行，堆放在支撐架上的預(yù)制塊不斷增多，而小車動荷載卻基本不變(小車動荷載只與正在運送的預(yù)制塊的數(shù)量及分布情況相關(guān)，與已經(jīng)運送就位的預(yù)制塊數(shù)量無關(guān))。相應(yīng)地，小車動荷載所占總荷載(靜+動)的比重降低。因此，隨著加載的進行，典型部位支撐架桿件動靜力響應(yīng)峰值之間的相對差值逐步降低。

(2)小車運行速度越大，小車運送荷載在支撐架桿件中產(chǎn)生的軸力的波動越劇烈。從整體上看，隨著小車運行速度的增長，動力響應(yīng)峰值呈非線性增長，小車運行速度越大，動力響應(yīng)峰值增長越快。

(3)小車動荷載主要對其正下方桿件的軸力影響較大，小車動荷載所到之處，其下方桿件軸力波動較為劇烈；隨著小車的前行，桿件軸力波動劇烈的位置也隨之前移。

(4)當(dāng)小車運行速度為6 km/h時，計算得到的橋梁支撐架各典型桿件軸力動靜力響應(yīng)峰值相差約為4.28%～9.11%之間，均未超過10%，在實際的橋梁支撐架設(shè)計分析中，可在靜力分析的基礎(chǔ)上，另外考慮一個10%左右的動力效應(yīng)放大系數(shù)。

[1] 徐崇寶, 張鐵錚, 潘景龍,等. 雙排扣件式支撐架工作性能的理論分析與試驗研究[J]. 哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報, 1989, 22(2): 38-55.

[2] 黃寶魁, 徐崇寶, 張鐵錚,等. 雙排扣件式鋼管支撐架整體穩(wěn)定試驗與理論分析[J]. 建筑技術(shù), 1991, 18(9): 40-45.

[3] 黃 浩. 插銷式支撐架半剛性節(jié)點機基本受力單元試驗研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2006.

[4] 魏鑾新, 曾志興. 扣件式鋼管支撐架計算模型探討與思考[J]. 福建建筑, 2010, 144(6): 113-116.

[5] 曾凡奎, 胡長明, 葛召深,等. 扣件式模板支架立桿的計算長度系數(shù)取值研究[J]. 工業(yè)建筑, 2010, 40(2): 24-27.

[6] 梁 波, 蔡 英. 不平順條件下高速鐵路路基的動力分析[J]. 鐵道學(xué)報, 1999, 21(2): 84-88.