預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工仿真研究

周志強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030000）

1 施工過程模擬分析方法

1.1 正裝計(jì)算法

正裝計(jì)算是指為保證橋梁結(jié)構(gòu)成橋后的受力狀態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性，參照實(shí)際的結(jié)構(gòu)配筋狀況以及施工方案逐步進(jìn)行計(jì)算。正裝計(jì)算法必須對(duì)照設(shè)計(jì)方案，按照一定的程序分析各階段的內(nèi)力。但是，因?yàn)樵谶M(jìn)行分析的過程中，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)將會(huì)發(fā)生變化， 所以它最后設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)線形與實(shí)際狀況相差較大[1]。

1.2 倒裝計(jì)算法

倒裝計(jì)算是指根據(jù)橋梁加載的逆順序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，從而得出橋梁結(jié)構(gòu)最為理想的施工方法和受力情況。但是采用倒裝計(jì)算，難以分析時(shí)差效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響[2]。

2 算例及討論

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋有限元模型的建立

該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋位于山西省境內(nèi)，主路橋?qū)?9.5m，輔路橋?qū)?1.75m，主路橋和輔路橋分隔帶為5m，跨度為55m+80m+55m。對(duì)于2號(hào)塊-7號(hào)塊箱梁采用懸臂澆筑的施工方法，而0、1號(hào)塊箱梁采用托架現(xiàn)澆的施工方法。設(shè)計(jì)車速主路為100km/h，輔路為50km/h，對(duì)于設(shè)計(jì)荷載，汽車—超20級(jí)，掛車—120，對(duì)于人群荷載3.5 kN/m2；地震荷載設(shè)計(jì)按7度設(shè)防。使用大型橋梁軟件《橋梁博士》以及有限元軟件MIDAS 對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在此過程中分別運(yùn)用的是梁格法和板單元法建立模型。采用的計(jì)算方法為正裝計(jì)算法、倒裝計(jì)算法。這樣做的主要目的是為了使得施工過程中各階段的結(jié)構(gòu)行為狀態(tài)得到有效控制，最終符合施工要求。采用MIDAS 計(jì)算時(shí)將主、輔橋頂板沿梁各節(jié)段縱向分為2個(gè)單元，橫向分為8個(gè)單元，底板4個(gè)單元，腹板沿梁高方向分為2個(gè)單元，主、輔橋各計(jì)2808個(gè)單元，1948個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用橋博計(jì)算時(shí)將主、輔橋沿梁橫向分為2個(gè)梁格，沿梁縱向每節(jié)段分為1個(gè)梁格，主橋共計(jì)187個(gè)單元，輔橋共計(jì)126個(gè)單元。參考定性分析，對(duì)橋梁施工程序加以確定，同時(shí)依據(jù)計(jì)算出來的結(jié)果，得到具體的施工工序。每施工梁段分掛籃前移、混凝土澆注和預(yù)應(yīng)力張拉3個(gè)工況，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成過程共分為52個(gè)施工階段和1個(gè)運(yùn)營(yíng)階段。這樣一來，整個(gè)施工過程中出現(xiàn)的荷載、邊界條件、計(jì)算圖式的改變都能在有限元模型中得到準(zhǔn)確的體現(xiàn)。全橋理論計(jì)算模型如圖1（MIDAS）、圖2（橋博)所示。

圖1 全橋理論計(jì)算模型(MIDAS)

圖2 全橋理論計(jì)算 模型(橋博)

2.2 橋梁各節(jié)段撓度的正裝及倒裝分析

按照之前的正裝及倒裝計(jì)算方法， 并且結(jié)合有限元計(jì)算模型，可以得到如下3種結(jié)論[3]：（1）僅僅考慮預(yù)應(yīng)力作用下的各節(jié)段撓度；（2）僅僅考慮自重作用下的各節(jié)段撓度；（3）考慮自重、預(yù)應(yīng)力、徐變作用下的節(jié)段撓度。表1顯示采用Midas和橋博兩種有限元模型的撓度計(jì)算結(jié)果。根據(jù)上表數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，這兩種方法計(jì)算得出的數(shù)值是比較接近的。這說明，計(jì)算準(zhǔn)確度較高。從墩頂O號(hào)塊開始施工的懸臂結(jié)構(gòu)，受到施工設(shè)備自重、節(jié)段自重、混凝土收縮徐變等各方面的影響。因此，采用正裝計(jì)算能夠有效的計(jì)算出各個(gè)階段下的結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力，可以及時(shí)地計(jì)算出誤差，以及迅速得到控制之后的結(jié)果。

表1 自重和預(yù)應(yīng)力作用下各節(jié)段撓度Midas和橋博計(jì)算結(jié)果比較

2.3 收縮徐變后各節(jié)段撓度的正裝及倒裝分析

正裝計(jì)算是對(duì)橋梁的直接模擬，根據(jù)橋梁施工的順序進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮每個(gè)節(jié)段的收縮徐變。倒裝計(jì)算則是逐步拆除單元，對(duì)拆除單元接縫處的主體加以模擬。由于倒裝計(jì)算模擬的特性，所以采用倒裝計(jì)算是無法完成混凝土的收縮徐變計(jì)算。為解決這一問題，需要運(yùn)用以下方法加以解決：進(jìn)行正裝計(jì)算時(shí)，暫不考慮混凝土收縮徐變這一因素，首先計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形值和內(nèi)力，算出相應(yīng)數(shù)據(jù)后，再對(duì)收縮徐變后的變形值進(jìn)行計(jì)算。最后，運(yùn)用倒裝計(jì)算的方法，扣除正裝計(jì)算時(shí)各階段混凝土?xí)r效的影響。

2.4 正裝計(jì)算與倒裝計(jì)算的關(guān)系

對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋有限元模型進(jìn)行相關(guān)的倒裝計(jì)算，得出只考慮自重作用下的各節(jié)段的倒裝計(jì)算撓度，如表2所示。將表2和表1進(jìn)行對(duì)比，可知，采用倒裝計(jì)算時(shí)表2中7號(hào)塊在僅考慮自重作用下倒裝分析的撓度與表1中7號(hào)塊的撓度是一致的；而表2中5號(hào)塊的撓度為表1中5～7號(hào)塊撓度的和；表2中3塊的撓度為表1中3～7號(hào)塊的和；表2中1號(hào)塊的撓度為表1中1～7號(hào)塊撓度之和。若采用正裝計(jì)算，則各節(jié)段的撓度是表1中相應(yīng)節(jié)段的迭加，比如說3號(hào)塊自重作用下的撓度，則為1～3號(hào)塊自重共同作用在3號(hào)塊的撓度之和，以此類推。對(duì)于涉及到預(yù)應(yīng)力和徐變的情況，只需在計(jì)算每個(gè)節(jié)段撓度的時(shí)候，將對(duì)應(yīng)的影響值計(jì)算進(jìn)去。

表2 僅考慮自重作用下倒裝分析各節(jié)段撓度

3 結(jié)論

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工控制仿真計(jì)算的過程中，采用正裝與倒裝計(jì)算相結(jié)合的方法，可以較為全面的考慮到混凝土收縮徐變、幾何非線性以及初始應(yīng)力的影響，有利于得到較為準(zhǔn)確的預(yù)拱度，確保施工質(zhì)量。

[1]呂建鳴, 陳云海.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁徐變計(jì)算方法的研究[J].公路交通科技.2005(07)：61-66.

[2]譚德盼.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工控制技術(shù)與應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué).2007..