張素紅

摘 要：城市橋梁是城市交通的重要組成部分，它是城市交通發(fā)展的象征之一。近年來隨著城市的快速發(fā)展，各大城市都在興建城市立交橋，以緩解交通擁堵。城市是人口密集區(qū)，所以城市立交橋建設(shè)的好壞直接關(guān)系到生命安全。沉降是現(xiàn)澆橋梁施工控制的主要指標(biāo)之一，沉降控制不好不僅會影響工程質(zhì)量，還會使行車有跳車感，嚴(yán)重時會造成重大交通事故。該文根據(jù)實(shí)際工程案例，采用ansys大型有限元軟件分析預(yù)測了昆明金星立交橋9#～10#墩現(xiàn)澆箱梁施工時的位移變形，根據(jù)該預(yù)測結(jié)果有針對性地控制箱梁的沉降及變形。引進(jìn)有限元分析軟件對箱梁現(xiàn)澆施工時變形量進(jìn)行預(yù)測分析，這對類似工程有很大的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)澆箱梁 沉降觀測 ANSYS有限元軟件

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0129-05

隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快，城市交通擁堵問題日漸突出。城市立交橋是解決城市交通擁堵主方式之一，而且城市立交橋也逐步成為城市發(fā)展的主要象征之一?，F(xiàn)在，人們不僅僅對工程質(zhì)量非常重視，同時對行車安全、舒適程度的要求也越來越高。由于城市橋梁的施工受場地限制，施工一般采用現(xiàn)澆是施工。在保證工程質(zhì)量的情況下，要想達(dá)到行車安全、舒適的要求，那么我們在橋梁現(xiàn)澆施工時必須預(yù)測和控制現(xiàn)澆梁的尺寸。論述現(xiàn)澆梁沉降的文獻(xiàn)很多：文獻(xiàn)[1]結(jié)合繞越高速公路現(xiàn)澆梁論述了現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁的沉降觀測施工控制，提出了隨著立交橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式日益繁多、地理環(huán)境條件的不同，其具體的施工工藝也會不盡相同。因此，在實(shí)際施工中只要因地制宜，科學(xué)施工，不斷地去創(chuàng)新、研究，才能切實(shí)地保證安全，并取得成功，才能獲得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[2]通過廣珠西線高速公路石洲互通立交主線橋的施工實(shí)踐，介紹在軟土地基上采用滿堂紅支架施工現(xiàn)澆箱粱，對箱粱支架進(jìn)行全仿真預(yù)壓并取得沉降觀測規(guī)律以指導(dǎo)普通現(xiàn)澆連續(xù)箱粱施工；文獻(xiàn)[3]結(jié)合濱海輕軌工程，通過有選擇性的局部支架預(yù)壓試驗(yàn)作沉降觀測，為相似地質(zhì)段后續(xù)連續(xù)箱梁施工提供預(yù)拱數(shù)據(jù)，從而簡化工序，加快了施工進(jìn)度；文獻(xiàn)[4]通過對甘肅清嘉高速公路酒泉立交鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋及寧夏鹽中高速公路恩和立交鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋進(jìn)行了沉降觀測，總結(jié)出了一套切實(shí)可行觀測方案；等等。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)閱情況，前人的研究大多以理論計算預(yù)測現(xiàn)澆梁施工時的沉降，很少借助計算機(jī)技術(shù)。本文結(jié)合昆明金星立交橋現(xiàn)澆梁，應(yīng)用大型有限元軟件ansys首先對現(xiàn)澆梁沉降作出預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果指導(dǎo)施工，控制現(xiàn)澆梁在施工時的沉降。

1 工程概述

1.1 工程概況

金星立交橋位于北二環(huán)東側(cè)，為北二環(huán)與北京路交叉的全互通立交體系，北二環(huán)主線和北京路主線分別為高架橋，高架橋分為雙向六車道。現(xiàn)金星立交橋改擴(kuò)建項目在原有高架橋上增加上下行各三車道的快速系統(tǒng)主線高架，標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度為13 m，路線長度Na1線總長981.978 m，Nb1線總長989 m。東接小莊立交高架橋，西接馬村立交高架橋，為符合城市長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)律，增加視覺效果和視野的通透性，上部采用分離式現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)形式。

金星立交橋處于凹洼地段，南北側(cè)北京路兩頭及小莊立交、馬村立交的標(biāo)高均比金星立交橋區(qū)高，下雨后四周的雨水將統(tǒng)統(tǒng)匯集至金星立交橋橋區(qū)。2008年雨季期間匯集至橋下路面的最大雨水深度達(dá)1.7 m，加之金星橋區(qū)地質(zhì)較差，遭水淹后將導(dǎo)致地基承載力降低，造成支架沉降，若不對支架基礎(chǔ)及支墩下地基進(jìn)行相應(yīng)的處理將無法保證現(xiàn)澆箱梁的質(zhì)量和施工的安全。

1.2 支墩地基處理

1.2.1 支墩基礎(chǔ)處理

支墩所處地基在老路上的直接澆筑基礎(chǔ)，而對于軟弱地基，開挖2 m左右深基槽，將3～5 m長木樁（鋼板、管樁）按@400梅花形布置，壓入地表以下軟弱層，然后上部進(jìn)行回填塊石、碎石料、土夾石碾壓處理（回填深度不小于1.5 m），并用壓路機(jī)壓實(shí)后，在支墩下方澆注鋼筋混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)厚度為1米，然后在基礎(chǔ)上支立支墩（必要時地基壓漿處理）。采用φ200鋼管樁時，間距調(diào)整為0.6～0.8 m，長度6 m?；鬯闹茉趽Q填時沿基槽壁滿鋪防水材料。北京路鋼管柱處的地基進(jìn)行硬化處理，并且在鋼管柱支墩下方澆注C30鋼筋砼擴(kuò)大基礎(chǔ)，鋼筋砼基礎(chǔ)下方1m換填水泥穩(wěn)定料，最底部根據(jù)現(xiàn)場情況換填0.4～2 m片石，同時根據(jù)情況對基底壓漿固化處理。

1.2.2 臨時支墩施工

該跨支墩分為兩種，即北京路兩側(cè)的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩。

跨北京路路口現(xiàn)澆梁施工時，臨時支墩布置在二環(huán)路外側(cè)部分，并沿北京路兩側(cè)緊靠防撞欄布置。支墩采用貝雷梁片組成，貝雷梁縱向間距0.9 m，貝雷梁之間通過支撐架進(jìn)行連接加固，臨時支墩橫橋向布置3片，垂直方向布置8層。

雖然雙層貝雷梁片抗彎滿足要求，但考慮到跨度越大，縱向貝雷梁的撓度越大，為減小撓度，避免兩次澆注現(xiàn)澆梁時混凝土出現(xiàn)開裂，必須在跨中位置設(shè)置支墩。本跨支墩設(shè)置在北京路中央，由50鋼管和32型鋼組成。由于受北京路中央分隔帶寬度影響，搭設(shè)該中央臨時支墩時需要將北京路靠中央側(cè)的空心板間翼板鑿除，再在此處施工支墩基礎(chǔ)及支墩。為提高支墩的強(qiáng)度，50鋼管內(nèi)灌注砼，必要時增加十字肋。

1.2.2.1 支墩頂縱向貝雷梁施工

支墩頂縱向貝雷梁，安裝時采用地面組裝成片后，再吊裝的方式進(jìn)行?？v向貝雷梁每兩片為一組，每組之間再使用斜撐架連接加固。因北京路跨度大，支墩頂縱向貝雷梁采用雙層構(gòu)造，并增加加強(qiáng)弦桿，提高縱梁的抗彎性能及減少撓度。

整個貝雷梁安裝過程可以分為以下幾個步驟：

a、調(diào)整支墩標(biāo)高

b、在地面拼裝貝雷梁，以支墩位置為標(biāo)準(zhǔn)，確定拼裝的長度。

c、在支墩頂安裝橫向貝雷梁，并固定好。

d、封閉既有橋，將檢查合格后順橋向貝雷梁分片吊裝到橫向支墩貝雷梁上。吊裝時，吊車布置在橋下位置（凈寬不夠的放置在二環(huán)路上），吊裝順序?yàn)橄葍?nèi)側(cè)后兩邊。貝雷梁吊裝就位后，安裝密目防護(hù)網(wǎng)。endprint

1.2.2.2 二環(huán)路與設(shè)計橋梁重疊部分支架施工

高架橋路面的支架采用碗扣腳手架，并直接通過方木作用在橋面上。同時該部分碗扣

腳手架與貝雷梁頂腳手架連成一個體系。

1.2.2.3 上部支架系統(tǒng)施工

縱向貝雷梁頂鋪10 cm×10 cm方木，并搭設(shè)腳手架及模板系統(tǒng)。

1.2.3 地基排水

支架投影內(nèi)設(shè)置3%左右的橫向排水坡在支架以外兩側(cè)各挖一條縱向水溝，在每跨跨中和橋墩處各挖一條橫向水溝，以預(yù)防地表水浸泡引起地基軟化。為防止雨季淹水造成支架基礎(chǔ)浸泡，老橋區(qū)易淹水地段支架及支墩基礎(chǔ)底鋪設(shè)防水材料，并在每跨四周澆注0.4 m寬0.6 m高砼圍堰。圍堰內(nèi)設(shè)置集水井、抽水設(shè)備及時將積水排除。

1.3 現(xiàn)澆梁澆筑施工時沉降測點(diǎn)布置

本文選取昆明金星立交橋9#～10#墩現(xiàn)澆箱梁為分析研究對象，整個梁段縱向一排均勻布置9個測點(diǎn)，縱斷面一排測點(diǎn)布置見圖1。

1.4 現(xiàn)澆梁澆筑施工

本橋主線及匝道共有現(xiàn)澆梁59孔。為了加快施工進(jìn)度，保證施工安全，減少工程投資，現(xiàn)澆箱梁施工時采用貝雷梁支撐和碗扣腳手架。需要中斷既有道路交通，占用二環(huán)路搭設(shè)支架。在施工到跨北京路及其他路口期間，需要占用北京路兩個車道進(jìn)行施工。

現(xiàn)澆梁施工外模采用統(tǒng)一采用定型鋼模板，內(nèi)模采用竹膠板。砼集中供應(yīng)，使用汽車泵澆注。

2 有限元軟件ANSYS簡介

2.1 概述

ANSYS是目前世界最頂端的有限元商業(yè)應(yīng)用程序之一，是融各領(lǐng)域分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發(fā)，它能與多CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換[5]。

2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

ANSYS程序是一個功能強(qiáng)大的設(shè)計分析及優(yōu)化軟件包，其特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一；（2）強(qiáng)大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS 的GU I（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型；（3）強(qiáng)大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器；（4）強(qiáng)大的非線性分析功能。ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析；（5）智能網(wǎng)格劃分。ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動生成有限元網(wǎng)格；（6）良好的優(yōu)化功能。（7） 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。

2.3 ANSYS 軟件分析過程

ANSYS有前處理、求解計算和后處理三個部分。前處理主要是建立實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格

劃分；求解就是在模型建立后進(jìn)行的分析計算過程；后處理是計算結(jié)果的提取。

2.3.1 前處理

雙擊實(shí)用菜單中的Preprocessor，進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自上向下與自下向上。自上向下進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型。無論使用自上向下還是自下向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而雕塑出一個實(shí)體模型。再者，ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運(yùn)算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動、拷貝和刪除。自下向上進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。

2.3.2 求解

這里不再詳述ANSYS求解過程，這個過程是在建立模型時加載并選擇本構(gòu)模型，程序會自動進(jìn)行求解。

2.3.3 后處理

后處理階段是對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結(jié)果（如位移）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如位移值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如位移范圍），清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。另外還可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。

3 模型建立及計算分析

3.1 模型的建立

本模型的建立并未對所有的現(xiàn)澆梁施工進(jìn)行模擬，只是具有代表性的模擬了貝雷梁支撐下的現(xiàn)澆梁的施工。因?yàn)樵摴r下現(xiàn)澆梁施工時的沉降主要表現(xiàn)為貝雷梁的變形，即二者是同步變形的，所以我們通過建立本模型分析研究了該工況下貝雷梁在現(xiàn)澆梁自重的作用下的變形特性來反映現(xiàn)澆梁的沉降變形。本模型結(jié)合施工實(shí)際建立本模型，并模擬二次澆筑混凝土施工過程對貝雷梁的變形影響?，F(xiàn)澆梁采用實(shí)體單元模擬；貝雷梁的作用就是將現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生的重力分散到現(xiàn)澆梁兩端的臨時支墩和中間中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩，此處將其簡化為平面應(yīng)變單元；北京路兩側(cè)的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩均采用實(shí)體單元來模擬；縱向貝雷梁上部的支架系統(tǒng)將簡化為貝雷梁的附屬系統(tǒng)，隨貝雷梁的變形而變形。模擬選用主要參數(shù)見下表1，表2，表3：

在建立實(shí)際模型時，對模型進(jìn)行了簡化處理。50鋼管柱和作為臨時支墩的貝雷梁簡化為實(shí)體支墩。根據(jù)施工圖紙和實(shí)際施工情況所建立的模型如圖2所示。

3.2 模型的分析計算

模型的分析計算結(jié)果云圖見圖3。

從模型的豎向變形云圖來看，兩個臨時支墩和鋼管柱處的變形很小，臨時支墩和鋼管柱之間接近跨中的部位變形較大，接近一公分。這個結(jié)果在現(xiàn)澆梁上云圖上更為明顯，見圖4。

3.3 對比分析

將有限元模型計算的結(jié)果與我們在實(shí)際施工時的的實(shí)測資料進(jìn)行對比分析，對比關(guān)系見圖5。

從上面的對比分析圖可以看出，數(shù)值模擬值和實(shí)測值較好的擬合，雖然有些地方相差較大，也是由于實(shí)測時估讀造成的。

4 結(jié)語

通過以上的模擬分析計算，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）我們可以應(yīng)用有限元軟件來預(yù)測分析現(xiàn)澆梁施工時的沉降變形，在施工之前做到心中有“數(shù)”，從而指導(dǎo)施工。

（2）從上面的分析可知，中間的鋼管柱對現(xiàn)澆梁的沉降變形起到了很大的作用。因而，現(xiàn)澆梁跨度較大時，為了更好地控制現(xiàn)澆梁的沉降變形，我們可以通過加設(shè)鋼管柱可以有效地控制變形。

（3）從實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算的結(jié)果對比分析可知，采用貝雷梁施工，現(xiàn)澆梁沉降變形具有連續(xù)性，即臨時支墩和鋼管柱處較小，隨著離支點(diǎn)距離的增加，變形也在增加。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉青.淺析繞越高速中現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁的沉降觀測施工控制[J].市場周刊（理論研究），2009（11）.

[2] 劉銳浩.軟土地基現(xiàn)澆連續(xù)箱梁滿堂紅支架預(yù)壓施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003（10）.

[3] 宮元生.輕軌連續(xù)箱梁沉降觀測及控制技術(shù)[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)報，2006，5（2）.

[4] 陳光乾.淺談現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁沉降觀測[J].科技資訊，2007（29）.

[5] 高興軍，趙恒華.大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2004，24（3）.endprint

1.2.2.2 二環(huán)路與設(shè)計橋梁重疊部分支架施工

高架橋路面的支架采用碗扣腳手架，并直接通過方木作用在橋面上。同時該部分碗扣

腳手架與貝雷梁頂腳手架連成一個體系。

1.2.2.3 上部支架系統(tǒng)施工

縱向貝雷梁頂鋪10 cm×10 cm方木，并搭設(shè)腳手架及模板系統(tǒng)。

1.2.3 地基排水

支架投影內(nèi)設(shè)置3%左右的橫向排水坡在支架以外兩側(cè)各挖一條縱向水溝，在每跨跨中和橋墩處各挖一條橫向水溝，以預(yù)防地表水浸泡引起地基軟化。為防止雨季淹水造成支架基礎(chǔ)浸泡，老橋區(qū)易淹水地段支架及支墩基礎(chǔ)底鋪設(shè)防水材料，并在每跨四周澆注0.4 m寬0.6 m高砼圍堰。圍堰內(nèi)設(shè)置集水井、抽水設(shè)備及時將積水排除。

1.3 現(xiàn)澆梁澆筑施工時沉降測點(diǎn)布置

本文選取昆明金星立交橋9#～10#墩現(xiàn)澆箱梁為分析研究對象，整個梁段縱向一排均勻布置9個測點(diǎn)，縱斷面一排測點(diǎn)布置見圖1。

1.4 現(xiàn)澆梁澆筑施工

本橋主線及匝道共有現(xiàn)澆梁59孔。為了加快施工進(jìn)度，保證施工安全，減少工程投資，現(xiàn)澆箱梁施工時采用貝雷梁支撐和碗扣腳手架。需要中斷既有道路交通，占用二環(huán)路搭設(shè)支架。在施工到跨北京路及其他路口期間，需要占用北京路兩個車道進(jìn)行施工。

現(xiàn)澆梁施工外模采用統(tǒng)一采用定型鋼模板，內(nèi)模采用竹膠板。砼集中供應(yīng)，使用汽車泵澆注。

2 有限元軟件ANSYS簡介

2.1 概述

ANSYS是目前世界最頂端的有限元商業(yè)應(yīng)用程序之一，是融各領(lǐng)域分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發(fā)，它能與多CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換[5]。

2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

ANSYS程序是一個功能強(qiáng)大的設(shè)計分析及優(yōu)化軟件包，其特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一；（2）強(qiáng)大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS 的GU I（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型；（3）強(qiáng)大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器；（4）強(qiáng)大的非線性分析功能。ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析；（5）智能網(wǎng)格劃分。ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動生成有限元網(wǎng)格；（6）良好的優(yōu)化功能。（7） 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。

2.3 ANSYS 軟件分析過程

ANSYS有前處理、求解計算和后處理三個部分。前處理主要是建立實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格

劃分；求解就是在模型建立后進(jìn)行的分析計算過程；后處理是計算結(jié)果的提取。

2.3.1 前處理

雙擊實(shí)用菜單中的Preprocessor，進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自上向下與自下向上。自上向下進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型。無論使用自上向下還是自下向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而雕塑出一個實(shí)體模型。再者，ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運(yùn)算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動、拷貝和刪除。自下向上進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。

2.3.2 求解

這里不再詳述ANSYS求解過程，這個過程是在建立模型時加載并選擇本構(gòu)模型，程序會自動進(jìn)行求解。

2.3.3 后處理

后處理階段是對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結(jié)果（如位移）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如位移值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如位移范圍），清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。另外還可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。

3 模型建立及計算分析

3.1 模型的建立

本模型的建立并未對所有的現(xiàn)澆梁施工進(jìn)行模擬，只是具有代表性的模擬了貝雷梁支撐下的現(xiàn)澆梁的施工。因?yàn)樵摴r下現(xiàn)澆梁施工時的沉降主要表現(xiàn)為貝雷梁的變形，即二者是同步變形的，所以我們通過建立本模型分析研究了該工況下貝雷梁在現(xiàn)澆梁自重的作用下的變形特性來反映現(xiàn)澆梁的沉降變形。本模型結(jié)合施工實(shí)際建立本模型，并模擬二次澆筑混凝土施工過程對貝雷梁的變形影響?，F(xiàn)澆梁采用實(shí)體單元模擬；貝雷梁的作用就是將現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生的重力分散到現(xiàn)澆梁兩端的臨時支墩和中間中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩，此處將其簡化為平面應(yīng)變單元；北京路兩側(cè)的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩均采用實(shí)體單元來模擬；縱向貝雷梁上部的支架系統(tǒng)將簡化為貝雷梁的附屬系統(tǒng)，隨貝雷梁的變形而變形。模擬選用主要參數(shù)見下表1，表2，表3：

在建立實(shí)際模型時，對模型進(jìn)行了簡化處理。50鋼管柱和作為臨時支墩的貝雷梁簡化為實(shí)體支墩。根據(jù)施工圖紙和實(shí)際施工情況所建立的模型如圖2所示。

3.2 模型的分析計算

模型的分析計算結(jié)果云圖見圖3。

從模型的豎向變形云圖來看，兩個臨時支墩和鋼管柱處的變形很小，臨時支墩和鋼管柱之間接近跨中的部位變形較大，接近一公分。這個結(jié)果在現(xiàn)澆梁上云圖上更為明顯，見圖4。

3.3 對比分析

將有限元模型計算的結(jié)果與我們在實(shí)際施工時的的實(shí)測資料進(jìn)行對比分析，對比關(guān)系見圖5。

從上面的對比分析圖可以看出，數(shù)值模擬值和實(shí)測值較好的擬合，雖然有些地方相差較大，也是由于實(shí)測時估讀造成的。

4 結(jié)語

通過以上的模擬分析計算，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）我們可以應(yīng)用有限元軟件來預(yù)測分析現(xiàn)澆梁施工時的沉降變形，在施工之前做到心中有“數(shù)”，從而指導(dǎo)施工。

（2）從上面的分析可知，中間的鋼管柱對現(xiàn)澆梁的沉降變形起到了很大的作用。因而，現(xiàn)澆梁跨度較大時，為了更好地控制現(xiàn)澆梁的沉降變形，我們可以通過加設(shè)鋼管柱可以有效地控制變形。

（3）從實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算的結(jié)果對比分析可知，采用貝雷梁施工，現(xiàn)澆梁沉降變形具有連續(xù)性，即臨時支墩和鋼管柱處較小，隨著離支點(diǎn)距離的增加，變形也在增加。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉青.淺析繞越高速中現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁的沉降觀測施工控制[J].市場周刊（理論研究），2009（11）.

[2] 劉銳浩.軟土地基現(xiàn)澆連續(xù)箱梁滿堂紅支架預(yù)壓施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003（10）.

[3] 宮元生.輕軌連續(xù)箱梁沉降觀測及控制技術(shù)[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)報，2006，5（2）.

[4] 陳光乾.淺談現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁沉降觀測[J].科技資訊，2007（29）.

[5] 高興軍，趙恒華.大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2004，24（3）.endprint

1.2.2.2 二環(huán)路與設(shè)計橋梁重疊部分支架施工

高架橋路面的支架采用碗扣腳手架，并直接通過方木作用在橋面上。同時該部分碗扣

腳手架與貝雷梁頂腳手架連成一個體系。

1.2.2.3 上部支架系統(tǒng)施工

縱向貝雷梁頂鋪10 cm×10 cm方木，并搭設(shè)腳手架及模板系統(tǒng)。

1.2.3 地基排水

支架投影內(nèi)設(shè)置3%左右的橫向排水坡在支架以外兩側(cè)各挖一條縱向水溝，在每跨跨中和橋墩處各挖一條橫向水溝，以預(yù)防地表水浸泡引起地基軟化。為防止雨季淹水造成支架基礎(chǔ)浸泡，老橋區(qū)易淹水地段支架及支墩基礎(chǔ)底鋪設(shè)防水材料，并在每跨四周澆注0.4 m寬0.6 m高砼圍堰。圍堰內(nèi)設(shè)置集水井、抽水設(shè)備及時將積水排除。

1.3 現(xiàn)澆梁澆筑施工時沉降測點(diǎn)布置

本文選取昆明金星立交橋9#～10#墩現(xiàn)澆箱梁為分析研究對象，整個梁段縱向一排均勻布置9個測點(diǎn)，縱斷面一排測點(diǎn)布置見圖1。

1.4 現(xiàn)澆梁澆筑施工

本橋主線及匝道共有現(xiàn)澆梁59孔。為了加快施工進(jìn)度，保證施工安全，減少工程投資，現(xiàn)澆箱梁施工時采用貝雷梁支撐和碗扣腳手架。需要中斷既有道路交通，占用二環(huán)路搭設(shè)支架。在施工到跨北京路及其他路口期間，需要占用北京路兩個車道進(jìn)行施工。

現(xiàn)澆梁施工外模采用統(tǒng)一采用定型鋼模板，內(nèi)模采用竹膠板。砼集中供應(yīng)，使用汽車泵澆注。

2 有限元軟件ANSYS簡介

2.1 概述

ANSYS是目前世界最頂端的有限元商業(yè)應(yīng)用程序之一，是融各領(lǐng)域分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發(fā)，它能與多CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換[5]。

2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

ANSYS程序是一個功能強(qiáng)大的設(shè)計分析及優(yōu)化軟件包，其特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一；（2）強(qiáng)大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS 的GU I（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型；（3）強(qiáng)大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器；（4）強(qiáng)大的非線性分析功能。ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析；（5）智能網(wǎng)格劃分。ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動生成有限元網(wǎng)格；（6）良好的優(yōu)化功能。（7） 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。

2.3 ANSYS 軟件分析過程

ANSYS有前處理、求解計算和后處理三個部分。前處理主要是建立實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格

劃分；求解就是在模型建立后進(jìn)行的分析計算過程；后處理是計算結(jié)果的提取。

2.3.1 前處理

雙擊實(shí)用菜單中的Preprocessor，進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自上向下與自下向上。自上向下進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型。無論使用自上向下還是自下向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而雕塑出一個實(shí)體模型。再者，ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運(yùn)算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動、拷貝和刪除。自下向上進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。

2.3.2 求解

這里不再詳述ANSYS求解過程，這個過程是在建立模型時加載并選擇本構(gòu)模型，程序會自動進(jìn)行求解。

2.3.3 后處理

后處理階段是對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結(jié)果（如位移）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如位移值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如位移范圍），清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。另外還可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。

3 模型建立及計算分析

3.1 模型的建立

本模型的建立并未對所有的現(xiàn)澆梁施工進(jìn)行模擬，只是具有代表性的模擬了貝雷梁支撐下的現(xiàn)澆梁的施工。因?yàn)樵摴r下現(xiàn)澆梁施工時的沉降主要表現(xiàn)為貝雷梁的變形，即二者是同步變形的，所以我們通過建立本模型分析研究了該工況下貝雷梁在現(xiàn)澆梁自重的作用下的變形特性來反映現(xiàn)澆梁的沉降變形。本模型結(jié)合施工實(shí)際建立本模型，并模擬二次澆筑混凝土施工過程對貝雷梁的變形影響?，F(xiàn)澆梁采用實(shí)體單元模擬；貝雷梁的作用就是將現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生的重力分散到現(xiàn)澆梁兩端的臨時支墩和中間中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩，此處將其簡化為平面應(yīng)變單元；北京路兩側(cè)的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩均采用實(shí)體單元來模擬；縱向貝雷梁上部的支架系統(tǒng)將簡化為貝雷梁的附屬系統(tǒng)，隨貝雷梁的變形而變形。模擬選用主要參數(shù)見下表1，表2，表3：

在建立實(shí)際模型時，對模型進(jìn)行了簡化處理。50鋼管柱和作為臨時支墩的貝雷梁簡化為實(shí)體支墩。根據(jù)施工圖紙和實(shí)際施工情況所建立的模型如圖2所示。

3.2 模型的分析計算

模型的分析計算結(jié)果云圖見圖3。

從模型的豎向變形云圖來看，兩個臨時支墩和鋼管柱處的變形很小，臨時支墩和鋼管柱之間接近跨中的部位變形較大，接近一公分。這個結(jié)果在現(xiàn)澆梁上云圖上更為明顯，見圖4。

3.3 對比分析

將有限元模型計算的結(jié)果與我們在實(shí)際施工時的的實(shí)測資料進(jìn)行對比分析，對比關(guān)系見圖5。

從上面的對比分析圖可以看出，數(shù)值模擬值和實(shí)測值較好的擬合，雖然有些地方相差較大，也是由于實(shí)測時估讀造成的。

4 結(jié)語

通過以上的模擬分析計算，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）我們可以應(yīng)用有限元軟件來預(yù)測分析現(xiàn)澆梁施工時的沉降變形，在施工之前做到心中有“數(shù)”，從而指導(dǎo)施工。

（2）從上面的分析可知，中間的鋼管柱對現(xiàn)澆梁的沉降變形起到了很大的作用。因而，現(xiàn)澆梁跨度較大時，為了更好地控制現(xiàn)澆梁的沉降變形，我們可以通過加設(shè)鋼管柱可以有效地控制變形。

（3）從實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算的結(jié)果對比分析可知，采用貝雷梁施工，現(xiàn)澆梁沉降變形具有連續(xù)性，即臨時支墩和鋼管柱處較小，隨著離支點(diǎn)距離的增加，變形也在增加。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉青.淺析繞越高速中現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁的沉降觀測施工控制[J].市場周刊（理論研究），2009（11）.

[2] 劉銳浩.軟土地基現(xiàn)澆連續(xù)箱梁滿堂紅支架預(yù)壓施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003（10）.

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[5] 高興軍，趙恒華.大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2004，24（3）.endprint