有限元法在連續(xù)梁落架方案可行性模擬中的應用

尹忠文，楊 軍

(1.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南昆明 650000;2.江蘇東交工程檢測股份有限公司，江蘇南京 210000)

有限元法在連續(xù)梁落架方案可行性模擬中的應用

尹忠文1，楊 軍2

(1.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南昆明 650000;2.江蘇東交工程檢測股份有限公司，江蘇南京 210000)

以某鐵路客運專線上的一聯(lián)預應力混凝土連續(xù)梁橋為對象，采用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立連續(xù)梁橋模型，通過改變邊界條件的方法來模擬各種工況，得出不同工況下梁體的應力、變形和支座處支座反力。結(jié)果表明:土模邊跨橫向的不均勻落架會造成跨中區(qū)出現(xiàn)較大拉應力，應橫向?qū)ΨQ拆除;不移除土模時，拆除右邊跨和中跨比僅拆除中跨產(chǎn)生的壓應力要小;在拆架前對梁體進行臨時堆載，降低未落架梁跨的上撓。

橋梁工程;有限元法;滿堂支架法;落架方案

1 工程概況

某鐵路客運專線上的一聯(lián)3 m×32 m預應力混凝土連續(xù)梁橋位于某縣火車站附近，為跨越道路、農(nóng)田、水渠而設。在進行滿堂支架施工之前，通過實地考察發(fā)現(xiàn)，沿橋方向的地勢一邊高、一邊低，地勢高的那一段在其中的一個邊跨里程上，主橋縱斷面見圖1，1/2主梁縱斷面見圖2，主梁1-1橫斷面見圖3。為方便描述，將圖1中地勢較高的邊跨稱為左邊跨，右邊兩跨分別稱為中跨和右邊跨。

2 連續(xù)梁橋的落架方案

2．1 落架方案

圖1 主橋縱斷面

圖2 1/2主梁縱斷面

圖3 主梁1-1橫斷面

施工方案中左邊跨是土模，中跨和右邊跨是滿堂支架，土模采用挖掘機挖除，支架拆除則選用專業(yè)拆除隊伍。整個施工過程中，連續(xù)梁下方都有模板、土模或支架支撐，梁體自重通過下部的支撐體系傳到了地面，梁體中不會出現(xiàn)過大的拉應力，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)裂縫或破壞。但是，在拆除梁體下部的支撐體系時，由于土模的拆除速度和支架的拆除速度相差很大，拆架過程中連續(xù)梁結(jié)構(gòu)會發(fā)生體系轉(zhuǎn)換［6-9］。施工單位并沒有對此給出具體的檢算資料，為保證該方案的安全性和可行性，有必要進行模型模擬，對可能出現(xiàn)的幾種極端情況的應力和變形進行分析。

2．2 落架方案的幾種極端工況

本文擬分4種工況來檢驗拆架方案的安全性，分別如下。

(1)工況1:左邊跨土模不拆除，中跨支架全部拆除，右邊跨支架不拆除。

(2)工況2:左邊跨土模不拆除，另外兩跨將支架全部拆除。

(3)工況3:中跨和右邊跨支架已全部拆除;左邊跨用挖掘機沿橋橫向從一邊往另一邊挖，一邊的翼緣板和邊腹板下的土模已全部挖除。

(4)工況4:中跨和右邊跨支架已全部拆除;左邊跨使用2組挖掘機從橋橫向兩邊同時向中間挖，兩邊的翼緣板和邊腹板下的土模已全部挖除。

3 建立連續(xù)梁模型

3．1 建模過程

切換到截面選項，基于腹板將箱梁截面分為3個截面(2個邊腹板截面，1個工字形截面)，以Z軸為參考，2條分割線分別在－1．15 m 和1．15 m 處，這樣截面橫向就分割完畢，分割后的截面如圖4所示。輸入完布置、跨度、截面選項后，就生成了梁格法建立的主梁模型，模型共計280個節(jié)點，463個梁單元［10-11］，如圖 5 所示。

圖4 分割后的截面

圖5 梁格法建立的全橋模型

本連續(xù)梁橋落架之前因受到支座的約束和土模、支架的支承作用(對應于MIDAS/Civil中的9個邊界組均激活的情況)，對于不同的工況，相應的邊界條件是變化的［12-14］。工況1的邊界條件為:左邊跨土模不拆除，中跨支架全部拆除，右邊跨支架不拆除(圖6)。工況2的邊界條件為:左邊跨土模不拆除，另外兩跨將支架全部拆除(圖7)。工況3的邊界條件為:中跨和右邊跨支架已全部拆除，左邊跨用挖掘機沿橋橫向從一邊往另一邊挖(Y軸正向)，一邊的翼緣板和邊腹板下的土模已全部挖除(圖8)。工況4的邊界條件為:中跨和右邊跨支架已全部拆除，左邊跨使用兩組挖掘機從橋橫向兩邊同時向中間挖，兩邊的翼緣板和邊腹板下的土模已全部挖除(圖9)。

圖6 工況1受力

圖7 工況2受力

3．2 運用有限元模型來模擬落架過程的方法

模擬連續(xù)梁橋的落架過程是關鍵所在，MIDAS/Civil特有的施工階段分析功能十分方便，它能將各施工階段需要的結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組激活或者鈍化，從而實現(xiàn)對各個施工階段的分析［15-16］。

定義工況1對應的施工階段，依次選擇主菜單、荷載、荷載類型、施工階段分析數(shù)據(jù)、定義施工階段、添加，施工階段名稱命名為“成橋”，持續(xù)時間為50 d，激活全橋結(jié)構(gòu)組;激活橋臺1支座、橋墩1支座、橋墩2支座、橋臺2支座、臨時支承1左、臨時支承1中、臨時支承1右、臨時支承2和臨時支承3等9個邊界組;激活自重和預應力2個荷載組，確定完成第1個施工階段的定義。定義第2個施工階段，持續(xù)時間為5 d，鈍化臨時支承3邊界組，此時等同于工況1的邊界條件。確定完成第2個施工階段的定義，運行MIDAS/Civil分析程序即可生成結(jié)果文件，在結(jié)果文件中可查看工況1全橋各處的應力和位移情況。

4 落架方案有限元分析結(jié)果

本文采用梁格法建立連續(xù)梁橋的有限元模型，在支架和模板的卸落過程中，主要荷載為梁體自重和預應力荷載。對結(jié)構(gòu)進行靜力分析，根據(jù)本連續(xù)梁橋原施工方案，左邊跨采用土模，中跨和右邊跨采用滿堂支架，施工完畢后，土模挖除速度慢，支架拆除速度快，會造成全橋三跨支承卸落不同步，使全橋的受力不均勻。

4．1 工況1有限元分析

拆除中跨支架(工況1)以后，由剩下的土模和右邊跨支架來承受全橋荷載。定義結(jié)果文件的荷載組合，自重(ST)系數(shù)和預應力(ST)系數(shù)均取1．0，其組合名稱為施工階段(CB)，即在正在拆除支架的過程中，連續(xù)梁受梁體自重和預應力荷載的疊加作用。

工況1沿橋向各關鍵節(jié)點上、下緣正應力如圖10所示。由圖10可以得出，全橋的最大正應力為－0．28 MPa，最小正應力為－9．4 MPa，均是壓應力，明顯小于規(guī)范規(guī)定的C50混凝土的軸心抗壓強度，所以全橋處于安全范圍以內(nèi)。

工況1沿橋向撓度如圖11所示。由圖11可知:左邊跨和右邊跨上撓，中跨下?lián)?各跨最大撓度均出現(xiàn)在跨中處，左、右邊跨最大撓度均為7．181 mm，中跨最大撓度為4.020 mm，小于幾何指標規(guī)定的允許值40 mm。然而，左、右邊跨上撓不利于結(jié)構(gòu)安全。

圖11 工況1沿橋向撓度

從MIDAS/Civil后處理程序中提取全橋各支座處的反力，如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，支座處所有反力均向上，并沒有出現(xiàn)負反力，結(jié)構(gòu)是安全的。

表1 工況1全橋各支座處反力

4．2 工況2有限元分析

工況2沿橋向各關鍵節(jié)點上、下緣正應力如圖12所示。由圖12可以得出，全橋的最大正應力為－0．33 MPa，最小正應力為－8．4 MPa，均是壓應力，且明顯小于規(guī)范規(guī)定的C50混凝土的軸心抗壓強度，所以全橋處于安全范圍以內(nèi)。

工況2沿橋向撓度如圖13所示。由圖13可知:左邊跨和右邊跨上撓，中跨下?lián)?左邊跨最大撓

圖12 工況2沿橋向各關鍵節(jié)點上、下緣正應力

圖13 工況2沿橋向撓度

度為6.300 mm，中跨最大撓度為2.502 mm，右邊跨最大撓度為1.090 mm，均小于幾何指標規(guī)定的允許值40 mm。然而，左、右邊跨上撓不利于結(jié)構(gòu)安全。

從MIDAS/Civil后處理程序中提取全橋各支座處的反力，如表2所示。從表2中數(shù)據(jù)可看出，支座處所有反力均向上，并沒有出現(xiàn)負反力，結(jié)構(gòu)是安全的。

4．3 工況3有限元分析

工況3沿橋向各關鍵節(jié)點上、下緣正應力如圖14所示。由圖14可以得出，全橋的最大正應力為 1.14 MPa，最小正應力為－7．80 MPa，且明顯小于規(guī)范規(guī)定的C50混凝土的軸心抗壓強度與抗拉強度，所以全橋處于安全范圍以內(nèi)，但是梁體出現(xiàn)拉應力，不利于橋梁的安全。

表2 工況2全橋各支座處反力

圖14 工況3沿橋向各關鍵節(jié)點上緣、下緣正應力

工況3沿橋向撓度如圖15所示。由圖15可知：左邊跨和右邊跨上撓，中跨下?lián)?；左邊跨最大撓度?0．037 mm（未挖掉土模的一側(cè)梁體向上撓度比挖掉了土模的一側(cè)要大），中跨最大撓度為3