哈大鐵路專線大跨度連續(xù)梁施工仿真分析方法與實(shí)例

郭景琢

(中建哈大鐵路客運(yùn)專線指揮部,遼寧鐵嶺 112000)

1 概述

橋梁施工仿真分析是在全橋范圍內(nèi)每個(gè)施工階段采用大規(guī)模的組合有限單元計(jì)算分析,建立橋梁完整、統(tǒng)一的分析體系,采用實(shí)體、板殼、梁體、桿及索的多種單元組成的組合單元,利用單元的加載和拆除模擬各個(gè)施工階段,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

對(duì)橋梁的施工仿真分析主要完成的工作有以下3個(gè)部分。

(1)建立全橋范圍內(nèi)各個(gè)承載構(gòu)件的詳細(xì)模型,該模型由實(shí)體、板殼、梁體、桿及索的多種單元組成,能夠準(zhǔn)確地模擬出扣件的空間位置、幾何尺寸、荷載作用、初始內(nèi)力和初始變形等,同時(shí)利用單元的加載和拆除模擬出施工過程中的各個(gè)施工階段。

(2)運(yùn)用可靠的數(shù)值分析方法,如有限元法,對(duì)上述模型進(jìn)行分析計(jì)算,由此得到相對(duì)詳盡、可靠的分析結(jié)果。

(3)借助豐富有效的圖形顯示軟件,對(duì)計(jì)算出的大量數(shù)字進(jìn)行可視化處理,直接看到全橋各部位、各階段的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等計(jì)算結(jié)果的分布圖像,從圖像上直接進(jìn)行分析、判斷,來獲得有用的結(jié)論,及時(shí)指導(dǎo)施工。

橋梁結(jié)構(gòu)仿真是伴隨著有限元技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展而組建興起,并逐步完善的。早期的仿真軟件只是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算,而沒有前后模型處理功能,近年來,由于橋梁事業(yè)的發(fā)展,圖形化操作系統(tǒng)的出現(xiàn),強(qiáng)大的硬件平臺(tái)的支持,橋梁仿真計(jì)算向可視化、綜合化方向發(fā)展。同時(shí)計(jì)算內(nèi)容也進(jìn)入了三維空間應(yīng)力計(jì)算、非線性計(jì)算、計(jì)算—制圖一體化階段。目前國(guó)內(nèi)橋梁施工仿真所使用的軟件主要有ANSYS、MIDAS/Civil、橋梁博士(Dr.Brige)和GQJS等。

2 文官屯特大橋(60+100+60)m雙線無砟軌道連續(xù)箱梁的施工仿真分析

哈大鐵路客運(yùn)專線文官屯特大橋(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,采用掛籃懸臂施工方式,梁體上部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 文官屯特大橋(60+100+60)m連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)(單位：m)

該橋主跨計(jì)算跨度為(60+100+60) m,邊支座中心線至梁端0.75 m,梁全長(zhǎng)221.5 m。中支點(diǎn)梁高7.85 m,跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段梁高為4.85 m,梁底下緣按二次拋物線變化。

梁體為單箱單室、變高度、直腹板、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12 m,底寬6.7 m,頂板厚度除梁端附近及支點(diǎn)外均為40 cm,腹板厚度60～80、80～100 cm,按折線變化,底板厚度40～120 cm,按直線線性變化。在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)、中跨共設(shè)5個(gè)橫隔板,隔板設(shè)有孔洞,供檢查人員通過。

梁體采用C50混凝土,防護(hù)墻、遮板及電纜槽豎墻采用C40混凝土。防撞墻內(nèi)側(cè)凈寬8.8 m,橋上人行道鋼欄桿內(nèi)側(cè)凈寬11.9 m,橋面板寬12.0 m,橋梁建筑總寬12.28 m。

主梁設(shè)縱向、橫向、豎向三向預(yù)應(yīng)力,縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線,公稱直徑15.2 mm,其技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T5224—2003標(biāo)準(zhǔn)。

以文官屯特大橋(60+100+60) m雙線無砟軌道連續(xù)箱梁為例,采用MIDAS/Civil對(duì)橋梁施工全過程進(jìn)行仿真分析,在仿真分析中考慮混凝土的收縮徐變,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力損失,體系轉(zhuǎn)換過程中邊界條件變化等因素,計(jì)算出各個(gè)施工階段應(yīng)力和撓度變化值。

2.1 結(jié)構(gòu)分析依據(jù)

(1)《文官屯特大橋(60+100+60) m連續(xù)梁橋施工圖》。

(2)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)。

(3)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)。

(4)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005)。

(5)《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2005]285號(hào)文)。

(6)《新建客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2003]76號(hào)文)。

(7)《新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(2003年6月頒布)。

(8)其他相關(guān)規(guī)范、規(guī)程。

2.2 結(jié)構(gòu)分析參數(shù)

2.2.1 荷載

(1)恒載：按設(shè)計(jì)圖提供的尺寸,并根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)采集的參數(shù)進(jìn)行必要的修正,考慮結(jié)構(gòu)自重和臨時(shí)荷載,并考慮了橋面排水橫坡對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、變形等的影響。

(2)溫度及混凝土收縮、徐變影響：計(jì)算中按規(guī)范考慮了結(jié)構(gòu)局部溫差效應(yīng)及考慮混凝土實(shí)際加載齡期的收縮、徐變的影響。

(3)預(yù)應(yīng)力：初期計(jì)算按設(shè)計(jì)圖分階段張拉并按規(guī)范計(jì)入預(yù)應(yīng)力損失。

2.2.2 材料特性

計(jì)算中所用的主要材料特性見表1。

表1 計(jì)算所用材料特性

其中,混凝土的彈性模量取自《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》,鋼絞線的彈性模量取自現(xiàn)場(chǎng)材料的取樣試驗(yàn)。

2.2.3 混凝土收縮、徐變參數(shù)

混凝土收縮、徐變參數(shù)按照規(guī)范取值。

2.2.4 預(yù)應(yīng)力鋼束

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束彈性模量取自試驗(yàn)結(jié)果,摩阻損失參數(shù)取自現(xiàn)場(chǎng)摩阻試驗(yàn),其余參考規(guī)范及設(shè)計(jì)圖取值。

2.2.5 混凝土加載齡期及外部環(huán)境

計(jì)算考慮外界環(huán)境為野外一般條件,每個(gè)懸臂現(xiàn)澆梁段的加載齡期為3 d。在施工過程中,混凝土加載齡期等參數(shù)可能與實(shí)際情況不符,將根據(jù)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2.6 掛籃重

掛籃重前期計(jì)算與設(shè)計(jì)相同,施工監(jiān)控過程中按照掛籃圖統(tǒng)計(jì)其重。

2.3 施工仿真分析步驟

(1)定義材料和截面。

(2)建立結(jié)構(gòu)模型。

(3)建立和構(gòu)件結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組。

(4)定義施工荷載。

(5)定義預(yù)應(yīng)力鋼束特性。

(6)布置預(yù)應(yīng)力鋼束。

(7)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

(8)定義時(shí)間依存性材料特性值并連接

(9)定義以施工階段分類的單元、邊界條件、荷載的變化等,最后形成施工階段。

(10)進(jìn)行分析

2.4 材料和截面

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)定義材料和截面。

2.4.1 箱梁C50混凝土及鋼絞線材料特性(圖2)

圖2 材料特性界面

2.4.2 截面特性(圖3)

圖3 截面特性界面

2.5 計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖反映的內(nèi)容,對(duì)連續(xù)梁總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型。計(jì)算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點(diǎn)、跨中、截面變化點(diǎn)等控制截面將梁體劃分為全橋共77個(gè)節(jié)點(diǎn),76個(gè)單元。

連續(xù)梁總體計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 文官屯特大橋(60+100+60)m連續(xù)梁計(jì)算模型

2.6 建立結(jié)構(gòu)組、邊界組、荷載組

(1)建立結(jié)構(gòu)組并分配單元。根據(jù)實(shí)際施工的步驟,將同時(shí)施工的單元分別定義為結(jié)構(gòu)組。通過拖放功能將生成的結(jié)構(gòu)組分給梁?jiǎn)卧?/p>

(2)定義邊界組并添加邊界條件。根據(jù)施工實(shí)際步驟及體系轉(zhuǎn)換的過程,建立0號(hào)塊臨時(shí)支座、0號(hào)塊永久支座、邊跨現(xiàn)澆支座,邊跨永久支座。由于節(jié)點(diǎn)位置位于截面的中上部,為更好的模擬實(shí)際施工狀況,在梁底建立節(jié)點(diǎn),通過彈性連接(剛性)在梁底添加邊界條件。同時(shí)通過施工階段中激活和鈍化功能,實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)化中支座的變化。

(3)建立荷載組。施工階段荷載有結(jié)構(gòu)自重、鋼束的預(yù)應(yīng)力荷載、掛藍(lán)的自重3種。當(dāng)激活結(jié)構(gòu)自重時(shí),程序?qū)⒆詣?dòng)考慮已激活的結(jié)構(gòu)組的自重。將以上3種荷載工況定義為施工階段荷載類型,然后定義各荷載工況所屬的荷載組。

2.7 布置預(yù)應(yīng)力鋼束

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,布置底板束、頂板束及腹板束。

2.8 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求,按照施工順序,在各個(gè)施工階段給鋼束施加預(yù)應(yīng)力。

2.9 定義時(shí)間依存性材料特性值并連接

為了考慮徐變、收縮的變化,定義材料的時(shí)間依存特性。

將C50材料特性和時(shí)間依存特性相連接,即將時(shí)間依存特性賦予相應(yīng)的材料。由于模型梁截面為變截面,通過修改單元時(shí)間依存特性重新計(jì)算構(gòu)件的理論厚度。

2.10 定義以施工階段分類的單元、邊界條件、荷載的變化等,最后形成施工階段

根據(jù)施工階段及完成工作將本橋劃分為54個(gè)施工階段,各施工階段的施工工作內(nèi)容及施工工期如表2所示。

表2 施工階段劃分

2.11 運(yùn)行分析查看結(jié)果

運(yùn)行MIDAS/Civil進(jìn)行有限元仿真元分析,結(jié)果如圖5～圖12所示。

圖5 13號(hào)塊施工完成后應(yīng)力云圖

圖6 13號(hào)塊施工完成后上緣應(yīng)力圖

圖7 13號(hào)塊施工完成后下緣應(yīng)力圖

圖8 13號(hào)塊施工完成后位移圖

圖9 全橋合龍后(二期恒載加載)應(yīng)力云圖

圖10 全橋合龍后(二期恒載加載)上緣應(yīng)力圖

圖11 全橋合龍后(二期恒載加載)下緣應(yīng)力圖

圖12 全橋合龍后(二期恒載加載)位移圖

通過運(yùn)行結(jié)果計(jì)算出的各個(gè)階段梁體的理論應(yīng)力和位移,與實(shí)測(cè)的各個(gè)階段的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,各施工階段梁體實(shí)際發(fā)生的應(yīng)力、位移與理論應(yīng)力、位移接近,說明施工仿真所采用的計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)能反映該橋的實(shí)際狀況。

由成橋階段梁體實(shí)際預(yù)拱度與理論預(yù)拱度的對(duì)比可以得出,梁體實(shí)際預(yù)拱度與理論預(yù)拱度誤差較小,說明本橋線形平順,能保證后期鋪設(shè)橋面系的要求,滿足設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求。

由各個(gè)階段實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力對(duì)比可以得出,各截面均有與理論結(jié)果相符合的壓應(yīng)力儲(chǔ)備,可滿足運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的要求,滿足設(shè)計(jì)要求,保證了施工過程的安全。

3 結(jié)語

結(jié)合哈大客運(yùn)專線文官屯特大橋(60+100+60)m連續(xù)箱梁懸臂施工的施工仿真,主要闡述了連續(xù)梁懸臂施工仿真的參數(shù)選擇、模型的建立以及運(yùn)行結(jié)果的分析,通過與實(shí)際施工過程中實(shí)測(cè)結(jié)果比較和應(yīng)用,證明了施工仿真做為大跨度連續(xù)梁的線形控制及應(yīng)力控制的理論基礎(chǔ),起到了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的作用。

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