大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段仿真分析

張小華，張東波

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

?

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段仿真分析

張小華，張東波

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

為掌握大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在各個(gè)施工階段下的受力特點(diǎn)，文章以某跨江大橋?yàn)槔脴蛄很浖﨧idas/Civil建立了全橋有限元模型，按實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行了施工階段的劃分，并將計(jì)算得到的各個(gè)截面應(yīng)力及撓度值與施工監(jiān)控中的測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)：理論值和測(cè)量值吻合良好，仿真分析具有較高的可靠性，可用于指導(dǎo)同類橋梁的安全施工；該橋各個(gè)施工階段的截面應(yīng)力驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，可為今后大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)提供參考。

連續(xù)剛構(gòu)橋；施工階段；仿真分析；Midas/Civil

0　引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是連續(xù)梁橋和T形剛構(gòu)橋的組合體系[1-2]，結(jié)構(gòu)上兼具了兩者的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)伸縮縫使得梁體連續(xù)、行車平順；不需要布置大型橡膠支座，減小了后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用；懸臂施工過(guò)程中體系轉(zhuǎn)化少，降低了施工難度。由于墩梁固結(jié)共同工作，活載作用下跨中彎矩降低，可降低跨中截面高度，從而使恒載內(nèi)力進(jìn)一步降低。因此，連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)高速公路的橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。表目前預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋普遍采用懸臂掛籃澆筑法進(jìn)行施工，施工工序比較繁復(fù)、結(jié)構(gòu)受力變化多。隨著橋梁跨徑的增大，最大懸臂階段墩頂負(fù)彎矩急劇增大，給結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患。因此，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的施工全過(guò)程進(jìn)行仿真分析，對(duì)每個(gè)施工階段的典型截面進(jìn)行細(xì)致地變形和受力計(jì)算，以保證施工的安全，具有重要的工程意義[3-6]。

1為我國(guó)部分大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)布置情況。

表1　我國(guó)部分混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋一覽表

本文以一座大跨度混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁為例，采用橋梁有限元軟件Midas/Civil建立全橋有限元模型，參照實(shí)際施工工序，對(duì)全過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析。將計(jì)算數(shù)據(jù)與施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明：運(yùn)用Midas/Civil可成功對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁進(jìn)行變形和應(yīng)力分析，可對(duì)安全施工提供有力的理論依據(jù)。

1　工程概況

該橋系西部山區(qū)某縣城新址至附近高速公路連接道上跨江的一座大橋，主橋?yàn)?130.5+235+130.5)m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，如圖1所示，箱梁截面采用單箱單室截面，墩頂梁高為15.5 m，跨中為5.6m，梁高按1.8次拋物線變化；頂板寬16.5 m，厚0.3 m，0#塊處加厚為0.6 m。底板寬9.0 m，厚2.00 m(墩頂)～0.32 m(跨中)；邊跨梁端底板厚度為0.32～1.00 m。

主橋采用縱向、橫向和豎向三向預(yù)應(yīng)力體系?？v向預(yù)應(yīng)力束采用19φ15.24mm和27φ15.24mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1 339MPa；根據(jù)張拉時(shí)間的不同可分為前期束和后期束，前期束在澆筑“T”時(shí)張拉，后期束在主橋合龍時(shí)進(jìn)行張拉。

主橋箱梁采用懸臂澆筑法施工，節(jié)段參數(shù)如表2所示。主橋按2個(gè)單“T”對(duì)稱施工，除0#梁段及邊跨現(xiàn)澆段采用搭設(shè)托架澆筑完成外，其余梁段采用掛籃懸澆。全橋先邊跨合龍，再中跨合龍。

圖1　整體橋型布置圖(單位：cm)

節(jié)段號(hào)梁段長(zhǎng)(m)梁段重量長(zhǎng)(kN)節(jié)段號(hào)梁段長(zhǎng)(m)梁段重量(kN)節(jié)段號(hào)梁段長(zhǎng)(m)梁段重量(kN)0#1524311.610#3.03037.520#4.02511.11#3.04297.211#4.03703.921#4.02433.12#3.03857.512#4.03354.622#5.02792.73#3.03745.813#4.03228.623#5.02552.44#3.03636.614#4.03108.424#5.02482.35#3.03530.115#4.02993.925#5.02302.56#3.03426.216#4.02885.326#5.02138.07#3.03325.017#4.02782.627#5.02110.18#3.03226.418#4.02685.928#5.02094.39#3.03130.619#4.02595.4合龍段2.0835.9

2　計(jì)算模型及參數(shù)

2.1計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)構(gòu)布置和施工方法，采用橋梁有限元軟件Midas/Civil建立結(jié)構(gòu)有限元分析模型。按主梁、墩身、樁基對(duì)結(jié)構(gòu)整體建模，并考慮樁-土的共同作用效應(yīng)，箱梁取全截面進(jìn)行計(jì)算，橋面混凝土鋪裝僅作為二期恒載考慮，活載橫向分布系數(shù)按偏心系數(shù)法計(jì)算。全橋共分474個(gè)節(jié)點(diǎn)，557個(gè)單元，有限元離散模型及關(guān)鍵截面見(jiàn)圖2～3。

圖3　關(guān)鍵截面示意圖

2.2計(jì)算參數(shù)

(1)混凝土

箱梁：C60；橋墩：C40；承臺(tái)、樁基：C35。

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為150mm×150mm×150mm試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的抗壓強(qiáng)度，保證率為95%。墩身及水下基礎(chǔ)混凝土、橋面鋪裝混凝土等抗?jié)B等級(jí)不低于W8。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼材

預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能應(yīng)符合GB/T5224-2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》[7]，本橋預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用公稱直徑15.20mm、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860MPa的低松弛鋼絞線，其彈性模量195GPa。預(yù)應(yīng)力鋼束采用預(yù)埋塑料波紋管，管道摩阻系數(shù)0.17，管道偏差系數(shù)0.001 5。

(3)荷載取值

一期恒載：梁體混凝土容重按26kN/m3計(jì)。

二期恒載：橋面鋪裝(8cm厚C50鋼筋混凝土現(xiàn)澆層+10cm瀝青混凝土鋪裝)，以及人行道等，總計(jì)83.3kN/m。

系統(tǒng)溫度荷載：整體升溫20 ℃，整體降溫25 ℃。

梯度溫度荷載：豎向日照正溫差計(jì)算溫度基數(shù)的選取采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2015)[8]中的數(shù)值。分別取T1為14 ℃，T2為5.5 ℃，負(fù)溫差數(shù)值為正溫差乘以-0.5。

施工荷載：施工掛籃重1 800kN，懸臂澆筑梁段最大控制重量4 400kN。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1主梁內(nèi)力分析

本模型的施工階段較多，由于篇幅限制，僅列出最大懸臂階段、邊跨合龍、中跨合龍和二期鋪裝四個(gè)階段的彎矩圖，如圖4～7所示：

圖4　最大懸臂階段主梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖5　邊跨合龍主梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖6　中跨合龍主梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖7　二期鋪裝階段主梁彎矩圖(單位：kN·m)

3.2主梁應(yīng)力分析

通過(guò)有限元模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)施工階段截面應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并掌握整個(gè)施工過(guò)程中各個(gè)關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化規(guī)律。為了驗(yàn)證計(jì)算值的可靠性，在施工過(guò)程中，在各關(guān)鍵截面布置測(cè)點(diǎn)，如圖8所示。應(yīng)力的測(cè)試?yán)弥悄軕?yīng)變計(jì)進(jìn)行，得到應(yīng)變之后，通過(guò)公式σ=Eε將其轉(zhuǎn)化為截面應(yīng)力。將墩頂截面D-D上下緣的應(yīng)力理論值和測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖9～10。

圖8　關(guān)鍵截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)圖

圖9　墩頂截面上緣應(yīng)力對(duì)比圖

圖10　墩頂截面下緣應(yīng)力對(duì)比圖

由圖9～10可知：(1)在各個(gè)施工階段下，除少數(shù)階段外，墩頂均處于全截面受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為13.1MPa，滿足規(guī)范要求；(2)仿真分析的理論值與測(cè)試值吻合情況良好，說(shuō)明采用軟件進(jìn)行施工階段仿真分析是可靠的。

3.3主梁撓度分析

連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過(guò)程中，線形的控制是最困難的問(wèn)題之一。通過(guò)有限元模型，容易得出各個(gè)懸臂階段下主梁的變形。同時(shí)在施工過(guò)程中，通過(guò)高精度水準(zhǔn)儀對(duì)主梁撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將理論值與測(cè)得值對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　主梁撓度分析表

4　施工階段驗(yàn)算

通過(guò)對(duì)施工階段全過(guò)程的分析可知，在23#塊預(yù)應(yīng)力張拉階段，單元40的J端出現(xiàn)最大法向壓應(yīng)力15.06MPa，而在中跨合龍階段，單元4的J端出現(xiàn)最大法向拉應(yīng)力為1.31MPa。主梁采用C60混凝土，按規(guī)范7.2.8條可知，施工階段混凝土的法向應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

5　結(jié)語(yǔ)

(1)本文運(yùn)用大型橋梁專業(yè)有限元軟件Midas/Civil對(duì)大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)的施工階段進(jìn)行了全程仿真分析，與各施工階段下測(cè)得的關(guān)鍵截面應(yīng)力和撓度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合情況良好，即本文應(yīng)用的Midas/Civil建模思想能有效反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性，可為類似連續(xù)剛構(gòu)橋的施工提供參考。

(2)對(duì)橋梁各個(gè)施工階段的截面應(yīng)力進(jìn)行了驗(yàn)算，其均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明大橋的設(shè)計(jì)是安全可靠的，可給今后類似橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]周軍生，樓莊鴻.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2000，13(1)：31-37.

[3]JTGD62 2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5]顧安邦，張永水.橋梁施工監(jiān)控與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6]武文芳，趙雷.薄壁高墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制[J].四川建筑科學(xué)研究，2006，32(2)：134-137.

[7]GB/T5224-2014，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線[S].

[8]JTGD60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

Simulation Analysis on Construction Stages of Large-span Continuous Rigid Frame Bridge

ZHANG Xiao-hua，ZHANG Dong-bo

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to master the mechanical characteristics of large-span continuous rigid frame bridge under various construction stages，with a river-crossing bridge as the example，this article established the full-bridge finite element model through bridge software Midas/Civil，divided the construction stages according to the actual construction process，and compared the calculated stress and deflection values of various sections with the measurement values during construction monitoring.The study found that：the theoretical values have the excellent fitting with measured values，the simulation analysis has higher reliability，which can be used to guide the safety construction of similar bridges；the section stress checking of various construction stages of this bridge can all meet the regulatory requirements，with safe and re-liable structure，thereby providing the reference for the future design of large-span continuous rigid frame bridges.

Continuous rigid frame bridge；Construction stage；Simulation analysis；Midas/Civil

U448.23

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.014

1673-4874(2016)05-0052-04

2016-04-29

張小華(1984—)，碩士，工程師，主要從事橋涵工程設(shè)計(jì)工作；

張東波(1986—)，碩士，工程師，研究方向：道路橋梁設(shè)計(jì)。