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(中鐵十局集團有限公司, 山東濟南 250101)

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60 m+100 m+60 m 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)仿真計算

常亮

(中鐵十局集團有限公司, 山東濟南 250101)

文章采用橋梁有限元軟件MIDAS/CIVIL對60 m+100 m+60 m三跨連續(xù)梁進行建模，對結(jié)構(gòu)整體進行力學(xué)行為分析，并用橋梁博士再次建模驗算，將橋梁博士和MIDAS/CIVIL的部分計算結(jié)果列出，進行對比和簡要分析。

有限元；結(jié)構(gòu)仿真；應(yīng)力；撓度

有限元分析主要是對各節(jié)段的應(yīng)力、位移進行分析，分析結(jié)果作為監(jiān)控的依據(jù)。應(yīng)力控制是整個橋梁的安全保障，撓度值是施工控制的重要參數(shù)，根據(jù)有限元計算的撓度值，就可以確定各個節(jié)段的預(yù)拋高值，通過掛籃預(yù)壓試驗得到掛籃變形曲線，就可以初步確定各施工階段的立模標高。

1　工程概況

連續(xù)梁全長221.5 m，結(jié)構(gòu)形式為3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，計算跨徑布置為60 m+100 m+60 m，端支座處及邊跨直線段和跨中截面中心處梁高為4.53 m，中支點截面處梁高6.83 m，梁高按圓曲線變化全橋箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬6 m，箱梁橫截面為單箱單室直腹板，全橋共設(shè)5道橫隔梁，隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。全橋總體布置如圖1所示。

圖1　全橋總體布置(單位:m)

(1)混凝土：箱梁采用C55高性能混凝土，fc=37.0 MPa，fct=3.3 MPa，Ec=3.60×104MPa，密度取26.5 kN/m3。

(2)預(yù)應(yīng)力體系：縱向預(yù)應(yīng)力筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003低松弛高強度鋼絞線，彈性模量Ey=195 GPa。

(3)預(yù)應(yīng)力損失計算參數(shù)：孔道摩阻系數(shù)μ=0.23，孔道偏差系數(shù)k=0.002 5，錨口及喇叭口損失按錨外控制應(yīng)力的6 %計算。

(4) 二期恒載(橋面系)：二期恒載重量包括鋼軌、扣件、軌道板、混凝土基座以及防水層、人行道欄桿或聲屏障、防護墻、電纜槽蓋板及豎向等附屬設(shè)施重量，橋面系荷載取135 kN/m。

(5) 其他事項：設(shè)計計算中，掛籃及模板重力按1 000 kN考慮；合龍吊架、模板重量及懸臂端壓力按2×500 kN(每懸臂端各500 kN)考慮；在澆筑時T構(gòu)兩側(cè)的不平衡力不超過80 kN。

2　有限元模型的建立

采用橋梁有限元軟件MIDAS/CIVIL進行建模，對結(jié)構(gòu)整體進行力學(xué)行為分析，并用橋梁博士再次建模驗算。模型的建立應(yīng)最大限度的接近實際工程，將橋梁博士和MIDAS/CIVIL的計算結(jié)果進行分析比較，以保證仿真模擬的合理性及正確性。全橋共劃分成79個節(jié)點，78個單元，合龍段有橫隔梁劃分成4個節(jié)點，3個單元。全橋模型如圖2、圖3所示。

圖2　MIDAS/CIVIL

圖3橋梁博士計算模型

大力發(fā)展預(yù)制裝配式建筑，可以從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)方式進一步現(xiàn)代化。它可以促進一些新興產(chǎn)業(yè)和行業(yè)的發(fā)展，為經(jīng)濟發(fā)展提供新的動力，培育新的經(jīng)濟增長點，解決一些產(chǎn)能過剩的產(chǎn)業(yè)，為我國的經(jīng)濟發(fā)展提供新的動力。但也存在一些不足的地方：裝配式結(jié)構(gòu)的整體性要比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)差、整體性差、剛度差及抗震能力弱。而且構(gòu)件有可能是非對稱、尺寸大、形狀不規(guī)則，會導(dǎo)致運輸難度大，運輸費用相對比較高。在施工現(xiàn)場構(gòu)件一般通過鋼筋套筒灌漿連接、漿錨搭接等連接方式，該連接方式對工人的技術(shù)水平要求高，而且節(jié)點構(gòu)造一般較為復(fù)雜，施工技術(shù)復(fù)雜。

施工過程的模擬：根據(jù)施工方案，將整個施工過程劃分為51個施工階段，如表1所示。模型在模擬施工階段時，通過直接激活和鈍化結(jié)構(gòu)組、荷載組和邊界組來模擬實際施工過程。

3　有限元分析結(jié)果

由于施工階段和截面較多，所以只給出了中跨根部截面、最大懸臂狀態(tài)結(jié)構(gòu)變形圖、二期恒載及三年收縮徐變作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的應(yīng)力和撓度以及收縮徐變對撓度的影響。

3.1懸臂階段截面應(yīng)力及撓度

圖4～圖6分別為中跨根部截面頂板、腹板、底板的對比圖。

在懸臂施工過程中，結(jié)構(gòu)在移掛籃完畢、澆筑混凝土后有向下的撓度，在張拉后都呈現(xiàn)上撓的趨勢，此處以施工12#塊為例，給出在移掛籃后、澆筑混凝土后、張拉后三個階段的撓度變形圖。在11#張拉壓漿后，把掛籃移至12#段，此時懸臂下?lián)希祟^最大下?lián)蠟?.348 cm(圖7)；12#段混凝土澆筑后下?lián)献畲鬄?.606 cm(圖8)；張拉后12#段端頭下?lián)献畲鬄?.293 cm(圖9)。

表1　施工階段劃分

圖4　根部截面頂板在懸臂施工階段的應(yīng)力

圖5　根部截面腹板在懸臂施工階段的應(yīng)力

圖6　根部截面底板在懸臂施工階段的應(yīng)力

圖7　12#節(jié)段移掛籃后撓度

圖8　12#節(jié)段澆筑后撓度

圖9　12#節(jié)段張拉完成后撓度

3.2邊、中跨合龍段張拉后截面應(yīng)力及撓度

表2列出了邊跨合龍段張拉后各關(guān)鍵截面應(yīng)力，圖10為邊跨合龍段張拉后結(jié)構(gòu)的撓度。

表2　邊跨合龍段張拉后各關(guān)鍵截面應(yīng)力　MPa

圖10　邊跨合龍段張拉后撓度

表3列出了中跨合龍段張拉后各關(guān)鍵截面應(yīng)力，圖11為中跨合龍段張拉后結(jié)構(gòu)的撓度。

表3　中跨合龍段張拉后各關(guān)鍵截面應(yīng)力　MPa

圖11　中跨合龍段張拉后撓度

3.3施加二期恒載后、三年收縮徐變后截面應(yīng)力及撓度

表4列出了二期恒載后各關(guān)鍵截面應(yīng)力，圖12為二期恒載后結(jié)構(gòu)的撓度。

表4　施加二期恒載后各關(guān)鍵截面應(yīng)力　MPa

圖12　二期恒載后撓度

表5列出了三年收縮徐變后各關(guān)鍵截面應(yīng)力，圖13為三年收縮徐變后結(jié)構(gòu)的撓度。

表5　三年收縮徐變后各關(guān)鍵截面應(yīng)力　MPa

圖13　三年收縮徐變后撓度

通過全橋在二期恒載和三年徐變工況下各個階段的撓度值，進行對比分析得到橋梁的預(yù)拋高值：中跨跨中取6 mm，其它各點按二次拋物線設(shè)置；邊跨在懸臂部分12#塊取7 mm，其它各點按二次拋物線設(shè)置。全橋拋高示意見圖14。

圖14　全橋預(yù)拋高示意

3.4收縮徐變對撓度的影響

表6列出了混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)撓度的影響。

表6　混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)撓度的影響

從表6可以看出，混凝土收縮徐變對線形影響較大，占總撓度的1/10左右。因此，在施工監(jiān)控中應(yīng)考慮收縮徐變的影響，以防實測值和理論值偏差過大，不能順利合龍。

4　結(jié)論

論文采用MIDAS與橋梁博士軟件分別對嚴家湖大橋進行了計算分析，得出了橋梁施工過程中以及成橋狀態(tài)后的撓度和應(yīng)力值。由分析結(jié)果可以得到兩種軟件的應(yīng)力值相差在3 %以內(nèi)，這就保證了結(jié)構(gòu)仿真計算結(jié)果的可靠性；將橋梁二期恒載和三年收縮徐變下的撓度數(shù)據(jù)進行對比，通過對數(shù)據(jù)的篩選優(yōu)化確定橋梁的預(yù)拱度；建立模型分析混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)撓度的影響，混凝土收縮徐變對線形影響較大，占總撓度的1/10左右，在施工中應(yīng)考慮收縮徐變的影響。

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常亮(1986～)，男，本科，工程師，從事鐵路橋梁工程技術(shù)工作。

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[定稿日期]2016-03-21