施工階段墩梁固結處應力監(jiān)測與分析

王乾波

(甘肅恒路交通勘察設計院有限公司,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

高墩大跨T形剛構橋是一種長懸臂結構,最大的特點是采用懸臂施工法[1],適用于地形復雜的山區(qū)及流域較大的地區(qū).橋墩一般采用薄壁空心墩,具有自重輕、柔度好等特點.梁體與橋墩采用墩梁固結的方式連接成整體,具有良好的抗震性能,適用于高烈度地震區(qū)以及強風區(qū),而且橋型簡潔美觀.

懸臂施工過程中墩梁固結處是整個T構受力最復雜的區(qū)域,零號塊屬于大體積混凝土,其施工過程比較復雜,從底板到腹板、頂板的混凝土澆筑和預應力張拉都會對其應力產生影響[2-3].目前,對剛構橋整體的研究比較完善,但是對墩梁固結處的空間局部應力研究尚有欠缺,尤其是施工過程對應力分布的影響研究較少.本文依托實際工程,利用有限元分析軟件Midas/FEA建立了懸臂施工過程的有限元模型,結合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)值,分析了整個施工過程中墩梁固結處應力的分布規(guī)律.

1 工程概況

1.1 主體構造

以某T形剛構橋為工程背景,該橋處于黃土地區(qū),地形起伏較大,坡面較陡,采用大跨T構一次跨越深溝,T形剛構孔跨布置為(96+96)m.該橋為直線橋,總體布置如圖1所示.

圖1 T形剛構橋總體布置(單位:cm)

該橋梁體為單箱單室變高直腹板箱形截面,墩梁固結處梁高11.0 m,箱梁頂板寬7.5 m,頂板厚0.535 m,單側懸臂長1.25 m;箱梁底寬5.0 m,底板厚度由懸臂根部1.30 m漸變至梁端直線段0.50 m;腹板厚度0.50～1.10 m.零號塊構造如圖2所示.

(a) 縱斷面

(b) 橫斷面圖2 零號塊構造(單位：cm)

橋墩采用矩形截面的薄壁空心墩,順橋向內外壁為豎直,橫橋向內外側按一定坡率變化,下部結構及基礎如圖3所示.

(a) 正面

(b) 側面圖3 空心墩構造(單位:cm)

1.2 施工過程

零號塊高度為11 m,采用2次分層澆筑.零號塊施工完畢后,利用掛籃懸臂澆筑法對稱施工,每個節(jié)段長4 m.本次施工節(jié)段的劃分及編號如圖4所示.

圖4 施工節(jié)段劃分

2 有限元計算

2.1 有限元模型

采用Midas/FEA軟件建立施工階段有限元模型,所建模型如圖5所示.墩梁結合部位構造比較復雜,為滿足高精度的要求,采用實體單元模擬主梁、空心墩和承臺混凝土,線單元模擬預應力筋.本次只分析墩梁固結部分的詳細受力情況,因此對零號塊3個方向的預應力筋均進行模擬,而對其他的施工階段進行了簡化,只模擬縱向的預應力筋[4-5].結構各部分的物理參數(shù)如表1所示.

表1 結構物理參數(shù)

圖5 T構有限元空間模型

本次有限元模擬考慮了施工階段永久作用和可變作用,主要包括預應力張拉、掛籃荷載、風荷載、二期恒載、以及基底不均勻沉降等外力的作用,最不利荷載工況組合如表2所示.

表2 不同荷載工況組合

2.2 計算結果

利用軟件計算得到各工況的應力分布規(guī)律,縱向應力云圖如圖6所示.可以看出,零號塊混凝土施工初期,拉應力出現(xiàn)范圍較大,隨著施工階段預應力的張拉,頂板拉應力逐漸消失,后期頂板完全受壓.

(a) 工況1

(b) 工況4

(c) 工況5

(d) 工況6圖6 縱向應力云圖(單位：MPa)

3 施工階段應力監(jiān)測

3.1 應力測試原理

本次采用埋入式混凝土應變計進行監(jiān)測,其工作原理是依據(jù)內部導線的感應,來傳遞結構應力的變化,用公式表示為

ε=αf2,

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

混凝土應變計埋置在截面幾何形狀突變處,全橋共埋置了16個應力測試點.由于橋橫向受風荷載影響較大,測點的布置考慮受風區(qū)側和背風區(qū)側,應力測試截面及測試點細部布置如圖7所示.為提高應力測試的準確性,每隔4 h對該T形剛構橋的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行提取.

(a) 零號塊腹板

(b) 零號塊頂板

(c) 零號塊底板圖7 墩梁固結處應力測試點埋置示意

4 理論計算結果與實測值比較

通過有限元模擬,計算了施工階段墩梁固結處各個工況荷載下不同部位的應力(不考慮水化熱溫度場對墩梁固結的影響).根據(jù)現(xiàn)場測試元件的埋設位置,提取有限元模型相同位置處的計算數(shù)據(jù),對理論數(shù)值和實測結果進行對比與分析.

4.1 頂板測點應力的理論計算結果與實測值

圖8為頂板處測試點的縱向應力變化曲線.

(a) 受風區(qū)

(b) 背風區(qū)圖8 頂板測點縱向應力變化曲線

從圖中可以看出,在施工過程中,頂板整體處于受壓的狀態(tài),且壓應力表現(xiàn)出增大的趨勢.測點1和測點2的縱向應力曲線基本吻合,最大應力為-12.34 MPa.

4.2 腹板處測點的應力理論計算結果與實測值

圖9為腹板處測試點的豎向應力變化曲線.

圖9 腹板縱向應力變化曲線

從圖中可以看出,腹板在施工階段產生的應力為壓應力,并呈現(xiàn)出變大的趨勢.測點5和測點6的應力變化規(guī)律基本吻合,最大應力為-5.421 MPa.

4.3 底板測點應力的理論計算結果與實測值

根據(jù)理論分析結果和現(xiàn)場實測,底板的應力以壓應力為主,隨著施工階段呈現(xiàn)出變大的趨勢,縱向應力變化過程較快,橫向應力和豎向應力變化過程比較緩慢,體系合龍之后,壓應力有所減小.底板處測點最大應力值如表3所示.

表3 底板測點應力值 MPa

5 結論

1) 頂板在初期以拉應力為主,后期在懸臂施工階段處于受壓的狀態(tài),在風荷載的影響下,背風側和受風側的應力有所不同,壓應力峰值為-12.34 MPa,理論計算結果和實測值的變化規(guī)律基本相符.

2) 腹板的豎向應力在施工過程中處于增大的趨勢,橫向對稱測試點的應力基本相等.最大懸臂階段時豎向應力峰值為-5.42 MPa,理論計算結果和實測值的變化規(guī)律基本相符.

3) 底板監(jiān)測點以壓應力為主,橫向應力小于縱向應力,豎向應力最大.在施工過程中,縱向應力增大趨勢比較明顯,而橫向應力變化最為緩慢,且應力值較另兩個方向應力值小.

4) 預應力的張拉對零號塊應力產生了影響.橫向和豎向預應力的張拉對墩梁固結處混凝土的應力有減小的作用,尤其表現(xiàn)在主拉應力的減小.