橋梁支架安全監(jiān)測與有限元模擬分析研究

黎 崢，王立峰，劉云浩，韓國強(qiáng)，李惠惠

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

結(jié)構(gòu)有限元分析就是根據(jù)外界條件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行理論性的實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)構(gòu)分析需準(zhǔn)確模擬外部環(huán)境和結(jié)構(gòu)剛度，了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的材料特性，選擇合理的有限元單元。Midas/Civil 是基于對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋、懸索橋、斜拉橋、水化熱分析等土木建筑的分析中所需要的各種功能進(jìn)行綜合考慮而開發(fā)的最先進(jìn)的土木結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，被越來越多地應(yīng)用于橋梁工程的結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性的意義。文中通過Midas/Civil 建立有限元模型對(duì)某橋梁架設(shè)過程中架橋機(jī)支架設(shè)計(jì)做相關(guān)分析。

1 工程概況

大鄭線K15 +630.92 與既有大鄭線成正交，采用(20 +30 +20)m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其中跨越鐵路部分采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，兩側(cè)各孔采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑20 m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高1.8 m，邊梁頂板寬2.85 m，底板寬1.0 m，現(xiàn)澆橋面板寬0.5 m，橋跨每孔由2 片梁組成，全橋總計(jì)6 片梁。

架橋機(jī)架設(shè)支架由六部分組成。最上一層由8 根鋼軌組成，第二層由6 根鋼軌組成，第三層為厚度為2 cm 的鋼板，下面由4 根直徑50 cm、厚度8 mm 的鋼管柱和連接鋼管柱的75 mm×75 mm 的角鋼組成，所用鋼材均為Q235 鋼，基礎(chǔ)由C30混凝土澆筑。支架總高度為9.394 m。

2 建立有限元分析模型

運(yùn)用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil 建立了某橋梁架設(shè)過程中架橋機(jī)支架模型，對(duì)鋼管支架各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。支架桿件單元用梁單元來模擬，基礎(chǔ)與鋼管上鋼板用實(shí)體單元模擬?；A(chǔ)下端固結(jié)約束，上部各層支架桿件之間通過彈性連接的剛性連接進(jìn)行連接。建立有限元模型時(shí)，以順橋向里程增大方向?yàn)閄 軸正向，豎直向上為Z 軸正向，Y 軸正向按照右手規(guī)則確定。

3 荷載組合

支架結(jié)構(gòu)的安全性能主要通過結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等方面進(jìn)行。荷載組合如下:(1)強(qiáng)度驗(yàn)算荷載組合為1.2 ×恒載+1.4 ×活載;(2)剛度驗(yàn)算荷載組合為1.0 ×恒載+1.0 ×活載。其中，恒載為支架結(jié)構(gòu)自重;活載為架橋機(jī)荷載和架梁梁重的豎向荷載及水平向風(fēng)荷載。因施工過程的需要，架橋機(jī)吊梁荷載作用于第一層鋼軌的一側(cè)，并未作用于全部鋼軌。之后分析荷載作用位置按施工過程布載。

4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力結(jié)果分析

支架分析時(shí)，首先要對(duì)支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，找到結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布較大區(qū)域，針對(duì)支架各部分結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，從而保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全性。支架結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力分布圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，因架梁荷載作用于支架一側(cè)，支架各部分應(yīng)力分布呈不均勻現(xiàn)象，作用荷載一側(cè)應(yīng)力遠(yuǎn)大于為未加載一側(cè)。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第二層鋼軌靠近端部位置，為160.9 MPa，使用的鋼材均為Q235 鋼，允許應(yīng)力值為205 MPa，均達(dá)到強(qiáng)度要求。第一層鋼軌的跨中和支撐位置、第二層鋼軌端部支撐位置、第三層鋼板支撐位置和作用荷載一側(cè)鋼管柱應(yīng)力比較大，在支架安全監(jiān)測過程中應(yīng)得到重視。

圖1 各層結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

4.2 位移結(jié)果分析

為了保證架梁的順利進(jìn)行，支架結(jié)構(gòu)還應(yīng)滿足一定的變形要求，才能使結(jié)構(gòu)能夠正常使用。支架豎向位移圖如圖2所示。

圖2 支架豎向位移

從圖2 可以看出，支架豎向位移最大值發(fā)生在第一層鋼軌的跨中部位，為4.23 mm。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來說，撓度的允許值為跨度的1/400，為6.25 mm，滿足剛度要求。

4.3 穩(wěn)定性結(jié)果分析

通過特征值分析求得的解有特征值和特征向量，特征值就是臨界荷載，特征向量是對(duì)應(yīng)于臨界荷載的屈曲模態(tài)。臨界荷載可以用已知的初始值和臨界荷載的乘積計(jì)算得到。臨界荷載和屈曲模態(tài)意味著所輸入的臨界荷載作用到結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)就發(fā)生與屈曲模態(tài)相同形態(tài)的屈曲。由Midas/Civil屈曲分析得到支架的特征值為19.81，當(dāng)荷載作用值為架橋機(jī)架梁荷載的19.81 倍時(shí)，才發(fā)生失穩(wěn)破壞，鋼管柱屬于小柔度桿僅作強(qiáng)度驗(yàn)算即可。

5 安全監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在支架受力大的部位粘貼應(yīng)變片，在基礎(chǔ)部位埋設(shè)振弦式應(yīng)變傳感器，支架的豎向位移使用位移計(jì)進(jìn)行測試。在架梁過程中時(shí)時(shí)監(jiān)測支架關(guān)鍵部位的應(yīng)力和撓度情況。將應(yīng)力測試結(jié)果列于表1。

5.1 應(yīng)力分析

將應(yīng)力測試結(jié)果列于表1。

表1 支架各部分應(yīng)力實(shí)測值與理論值對(duì)比

從表1 可以看出，實(shí)測情況均滿足設(shè)計(jì)要求，理論值普遍較實(shí)測值偏大，主要是因?yàn)樵谥Ъ軓?qiáng)度驗(yàn)算中需要考慮荷載組合中恒載與活載的分項(xiàng)系數(shù)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全性。Midas/Civil 在進(jìn)行支架驗(yàn)算中能夠滿足精度要求。

5.2 位移分析

使用位移計(jì)在架梁過程測試支架的豎向變形，最大豎向位移為6.10 mm，滿足支架剛度驗(yàn)算的允許值。實(shí)測值較理論值大，主要是因?yàn)?(1)在建立有限元模型時(shí)，支架底端使用固定約束，未考慮地基的沉降影響;(2)溫度效應(yīng)的影響。

6 結(jié) 論

(1)理論值與實(shí)測值吻合很好，滿足結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的精度要求，說明利用Midas/Civil 建立有限元模型的準(zhǔn)確性。

(2)在對(duì)支架進(jìn)行有限元分析時(shí)，需充分了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力性能，從而選擇正確的單元類型，優(yōu)化邊界條件，才能準(zhǔn)確模擬支架系統(tǒng)的安全性。

(3)基礎(chǔ)應(yīng)力很大，是上部結(jié)構(gòu)的承壓部位，如果基礎(chǔ)處理不當(dāng)易發(fā)生支架倒塌事故，故在施工過程中需加強(qiáng)基礎(chǔ)的抗壓能力。

［1］王有志.橋梁鋼管支架安全評(píng)估方法研究［D］.天津大學(xué)，2004.

［2］曾勇，黃康，譚紅梅.某跨海大橋高墩區(qū)支架模板結(jié)構(gòu)計(jì)算分析［J］.中外公路，2013，(4):136－138.

［3］陸征然，陳志華，王小盾，劉群，劉紅波.扣件式鋼管滿堂支撐體系穩(wěn)定性的有限元分析及試驗(yàn)研究［J］. 土木工程學(xué)報(bào)，2012，(1):49－60.