■林榮光

（福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001）

1 工程概況

東溪特大橋上部構(gòu)造跨徑布置為95+180+95+3×30m，共分為兩聯(lián)。主橋95+180+95m 部分為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋?yàn)?×30m 預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T 梁橋， 主橋邊跨現(xiàn)澆為24#梁段， 箱梁頂寬12.25m，底寬6.5m，高3.5m，C55 混凝土61.96m3。主橋邊跨現(xiàn)澆段采用三角托架作為現(xiàn)澆施工支承架，以左線3#墩現(xiàn)澆段作為分析對(duì)象進(jìn)行建模和分析計(jì)算。支承架在3#墩墩身預(yù)埋牛腿盒及孔道， 而后安裝牛腿、三角型支架作為現(xiàn)澆段的受力托架，牛腿、三角型支架中上部采用Φ32mm 的精軋螺紋鋼穿過預(yù)埋孔道，在橋墩墩身另一側(cè)錨固形成對(duì)拉，三角型支架上部布設(shè)6 根I40 工字鋼作為橫梁， 橫梁上部搭設(shè)φ48mm、δ3.5mm腳手管滿堂支架， 滿堂支架上方布設(shè)[]10 槽鋼縱梁及模板，如圖1。

圖1 現(xiàn)澆段支架構(gòu)造圖

2 建立有限元模型(前處理Model)

2.1 分析部位

由于對(duì)整個(gè)現(xiàn)澆段支架模型分析較繁瑣、復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)處理能力要求較高，且三角型支架上部腳手管滿堂支架相對(duì)獨(dú)立，故對(duì)現(xiàn)澆段支架簡(jiǎn)化后僅分析型鋼支架部分，即I40 工字鋼橫梁以下部分。

2.2 模型建立

由于ANSYS 建模能力相對(duì)薄弱， 所以采用Auto-CAD 建立模型。

2.3 模型導(dǎo)入

模型導(dǎo)入之前，在ANSYS Workbench 中建立靜力結(jié)構(gòu)分析工程(Static Structural)， 利用ANSYS 與CAD軟件的接口進(jìn)行導(dǎo)入，輸入到ANSYS 中，如圖2。

圖2 導(dǎo)入ANSYS Workbench 模型示意圖

2.4 材料統(tǒng)計(jì)

模型導(dǎo)入后，對(duì)材料進(jìn)行屬性的編輯，支架材料如表1[1][2]：

表1 支架材料屬性表

材料選定后，在Engineering Data 中定義材料特性，完成后賦予到支架相應(yīng)構(gòu)件上。

2.5 網(wǎng)格劃分[3]

ANSYS Workbench 的網(wǎng)格劃分比較優(yōu)秀， 可以自動(dòng)修復(fù)模型導(dǎo)入過程中形成的破面缺陷， 在Model 模型中進(jìn)行所有構(gòu)件的網(wǎng)格劃分， 為保證計(jì)算機(jī)的處理能力及分析的質(zhì)量，應(yīng)該適度控制網(wǎng)格的尺寸，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元尺寸可定義為0.1～0.3m 之間， 現(xiàn)澆段支架網(wǎng)格劃分后如圖3。

圖3 支架網(wǎng)格劃分圖

3 支架的計(jì)算(求解過程Solution)

建模、定義材料特性及劃分網(wǎng)格后， 可以進(jìn)行模型的加載和計(jì)算。

3.1 支架模型邊界條件

由于現(xiàn)澆段支架整體錨固于橋梁墩身上，故假設(shè)墩身為剛體，從而定義模型的具體邊界條件。

(1) 錨固于墩身的15 根精軋螺紋鋼端部施加零位移約束，如圖4。

圖4 精軋螺紋鋼邊界條件

(2)牛腿嵌入墩身部分，牛腿與墩身接觸的水平面施加Y、Z 方向零位移約束，如圖5。

圖5 牛腿嵌入墩身部分邊界條件

(3)牛腿與墩身接觸的豎向面施加X、Y 方向零位移約束，如圖6。

圖6 牛腿與墩身接觸的豎向面邊界條件

3.2 支架荷載

(1)荷載值

支架本身的自重荷載在ANSYS Workbench 中有標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，自動(dòng)添加即可，不需單獨(dú)計(jì)算。

現(xiàn)澆段支架承受的外部荷載主要有箱梁混凝土、模板、翼板小支架、鋼管架及方木的自重，由于箱梁橫橋向結(jié)構(gòu)不同，荷載值相應(yīng)也不同，這部分荷載主要分為三個(gè)面：左側(cè)翼板下、箱梁中間部分、右側(cè)翼板下。施加荷載時(shí)要分段施加，荷載值計(jì)算如表2。

表2 荷載值計(jì)算表

(2)支架自重荷載加載

在ANSYS Workbench 中支架自重荷載加載利用Static Structural 中對(duì)整個(gè)支架加載Standard Earth Gravity，設(shè)置重力方向?yàn)?Z 方向即可。

(3)外部荷載加載

由于縱梁上均布荷載是分段的，需要在已知的受力平面上建立新的受力平面。

施加荷載前在Design Modeler 模式中使用草圖(sketching) 繪制出受力面積的邊緣， 加載Extrude 擠壓成面，然后進(jìn)入Model 模式中進(jìn)行荷載的施加。

首先施加支架縱梁中部荷載(箱梁中間部分)，如圖7。

圖7 支架縱梁中部荷載加載圖

下一步施加支架縱梁兩側(cè)荷載 (箱梁兩側(cè)翼板下)，如圖8。

圖8 支架縱梁兩側(cè)荷載加載圖

3.3 模型的求解及結(jié)果

(1)支架應(yīng)力

荷載及約束施加后，對(duì)模型進(jìn)行Solve(求解)過程，求解完成后在Solution 中添加Equivalent stress(等效應(yīng)力)及Total deformation(總變形)，查看等效應(yīng)力及位移云圖，各構(gòu)件及支架整體應(yīng)力如圖9。

圖9 支架在荷載作用下的應(yīng)力圖

根據(jù)等效應(yīng)力云圖，可查得支架各個(gè)部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 支架各個(gè)部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總表

(2)支架變形

根據(jù)總變形云圖，可查得邊跨現(xiàn)澆段支架總體位移最大值為14.9mm，支架總體位移變形如圖10。

圖10 支架在荷載作用下總體位移變形圖

3.4 計(jì)算結(jié)果的分析

通過ANSYS Workbench 有限元分析，連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段支架在箱梁混凝土及其他周轉(zhuǎn)材料的荷載下，支架各部位的應(yīng)力均滿足容許應(yīng)力要求，支架的最大位移為14.9mm， 滿足施工使用要求。 具體施工時(shí)，在支架預(yù)壓消除非彈性形變后，根據(jù)有限元總變形計(jì)算結(jié)果，可對(duì)箱梁進(jìn)行預(yù)設(shè)拋高值，以防止支架的彈性形變使得箱梁標(biāo)高整體向下沉降，影響后續(xù)的邊跨合龍施工。

4 結(jié)語

通過對(duì)東溪特大橋主橋3#墩邊跨現(xiàn)澆段支架計(jì)算分析，從計(jì)算結(jié)果可以看出現(xiàn)澆段支架中的部分構(gòu)件應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于容許應(yīng)力，造成了構(gòu)件加工時(shí)人工、材料及機(jī)械的浪費(fèi)。所以施工前，可以對(duì)部分構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并重新驗(yàn)算，在允許的安全系數(shù)下，滿足使用要求即可。

在進(jìn)行各種施工方案設(shè)計(jì)前， 可以利用ANSYS Workbench 等有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核， 檢查方案的可行性， 不合理的應(yīng)及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為排除安全隱患、控制施工成本、保證工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度提供有力的依據(jù)。

[1]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]李兵.ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化.北京：清華大學(xué)出版社，2008.