扭轉(zhuǎn)荷載作用下雙薄壁墩0號塊設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工技術(shù)研究

摘要：以拉各斯輕軌跨海橋雙壁墩0號塊的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工技術(shù)為依托，基于大型有限元軟件 Midas FEA建立小曲線連續(xù)剛構(gòu)橋雙薄壁0號塊的精細(xì)化有限元模型，研究0號塊應(yīng)力狀態(tài)，并進(jìn)行精確分析。結(jié)論如下：連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊三向預(yù)應(yīng)力作用下，應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜，進(jìn)行有限元精細(xì)化分析非常必要。考慮最不利荷載工況，底板與墩身相交部位等處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，為確保結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營安全，應(yīng)對相應(yīng)薄弱部位加強(qiáng)應(yīng)力監(jiān)測。通過合理控制鋼筋預(yù)應(yīng)力的張拉持時(shí)、澆筑混凝土的實(shí)際溫度以及施工的不平衡效應(yīng)等措施，優(yōu)化雙薄壁墩0號塊的應(yīng)力。結(jié)合0號塊和小半徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋整體結(jié)構(gòu)的施工過程，提出了相應(yīng)的施工技術(shù)及控制措施。

關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)荷載;雙薄壁墩;治理措施;數(shù)值模擬

0" "引言

目前國內(nèi)橋梁高墩大跨度懸灌梁施工，已有較為成熟的施工經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力及有限元方法的廣泛運(yùn)用，數(shù)值仿真技術(shù)已成為一種較為大量運(yùn)用的驗(yàn)算及設(shè)計(jì)方法。王澤坤等[1]設(shè)計(jì)了一種新型的\"正M型\"反力架，通過千斤頂精確控制預(yù)壓荷載的方式，保證了預(yù)壓效果，改變傳統(tǒng)支架堆載預(yù)壓的方法，為支架預(yù)壓提供一種新的設(shè)計(jì)施工方法。榮帥等[2]采用大型有限元計(jì)算分析程序ANSYS，對橋墩分別進(jìn)行有限元碰撞仿真計(jì)算。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，分別確定在未加防撞設(shè)施情況下和有柔性防撞消能設(shè)施情況下，橋墩自身抗力是否滿足要求。徐岳等[3]基于橋墩與主梁的變形協(xié)調(diào)作用，建立起雙薄壁橋墩單墩與墩頂荷載內(nèi)力間的相關(guān)關(guān)系。應(yīng)用非線性規(guī)劃理論，考慮強(qiáng)度和穩(wěn)定約束，并通過雙薄壁墩的計(jì)算參數(shù)，建立一種罰函數(shù)，得到對于連續(xù)剛構(gòu)橋雙薄壁墩參數(shù)的具體設(shè)計(jì)方法。周勇軍等[4]基于有限元分析模型，研究墩底固結(jié)和樁土共同作用兩種工況下連續(xù)剛構(gòu)橋的自振特性。在此基礎(chǔ)上，利用線彈性時(shí)程分析手段，對不同橋墩形式下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行對比分析。彭元誠[5]采用大型有限元然間ANSYS，在梁和殼單元建立起龍?zhí)逗犹卮髽虿煌A段的空間有限元模型，針對不同的施工階段及成橋荷載階段的不同工況進(jìn)行了穩(wěn)定分析。

此外，相關(guān)學(xué)者還提出薄壁墩參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及敏感因素分析。李衡山等[6]依據(jù)造價(jià)設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合非線性優(yōu)化理論，建立了一種基于雙薄壁墩參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型，從而得到一種有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行參數(shù)分析和實(shí)例驗(yàn)算。方志等[7]對雙肢薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工過程中各種工況下的穩(wěn)定性，進(jìn)行了包括材料非線性在內(nèi)的完全非線性分析，并對混凝土強(qiáng)度、薄壁墩厚度進(jìn)行了參數(shù)敏感性研究。

但目前對于扭轉(zhuǎn)荷載下的雙薄壁墩0號塊設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工技術(shù)研究還較為缺乏，尤其是對該狀態(tài)下雙薄壁墩的應(yīng)力分析。本文以拉各斯輕軌跨海橋雙壁墩0號塊的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工技術(shù)為依托，基于大型有限元軟件 Midas FEA建立小曲線連續(xù)剛構(gòu)橋雙薄壁0號塊的精細(xì)化有限元模型，研究0號塊應(yīng)力狀態(tài)并進(jìn)行精確分析。

1" "工程概況

拉各斯輕軌跨海橋106～113號墩主梁為（39.85+5×60+39.85）m剛構(gòu)連續(xù)梁，B0號塊箱梁橫截面為單箱單室直腹板。B0號梁段連續(xù)墩處梁高4.3m，兩端梁高3.888m。截面頂寬9.1m，底寬5.5m。0號段長度12m，截面頂板厚度40cm，腹板厚度70～110cm，底板厚度60.6～70cm。B0號梁段設(shè)2.4m厚橫隔板。橫隔板上設(shè)有150cm（高）×120cm（寬）孔洞。

2" "有限元數(shù)值分析

根據(jù)拉格斯的連續(xù)剛構(gòu)特大橋雙薄壁墩0號塊的實(shí)際尺寸，基于大型有限元計(jì)算軟件Midas FEA建立起精細(xì)化分析模型。據(jù)以上分析可知，雙薄壁墩0號塊的應(yīng)力狀態(tài)是主要控制影響因素，因此，下文主要分析雙薄壁墩0號塊在不同工況下的受力特點(diǎn)，并針對雙薄壁墩0號塊的工法要求，提出相應(yīng)的施工技術(shù)與措施。

2.1" "模型建立

根據(jù)圣維南原理可知，0號塊的受力狀態(tài)與其距離呈顯著相關(guān)性，僅受到附近應(yīng)力狀態(tài)的影響較小，設(shè)計(jì)中一般不考慮受力區(qū)域外的影響。鑒于此，選取0、1、2號塊及墩作為計(jì)算區(qū)域，采用 Midas FEA 中的建立計(jì)算模型，如圖1所示。模型網(wǎng)格使用六面體單元，模型中的實(shí)體單元共計(jì)33145個(gè)，節(jié)點(diǎn)共計(jì)91054個(gè)。

考慮安全儲(chǔ)備，計(jì)算忽略預(yù)應(yīng)力鋼筋以及、普通鋼筋的有利影響。橋梁體使用C50標(biāo)號混凝土澆筑，參考《鐵路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018），將材料的彈性模型設(shè)置為3.45×104MPa，泊松比設(shè)為0.2。

2.2" "邊界及荷載施加

考慮邊界及荷載條件，對雙薄壁墩0號塊進(jìn)行數(shù)值仿真分析之前，采用 Midas Civil的分析模塊模擬全橋施工過程，計(jì)算梁體截面的剪力、軸力及彎矩，從而轉(zhuǎn)化為雙薄壁墩0號塊的荷載及受力邊界條件。工況設(shè)計(jì)的具體取值如下表1所示，其中中F_x、F_y、F_z表示x、y、z方向的集中力大小;M_x、M_y、M_z表示繞x、y、z方向的彎矩大小。

為消除以上彎矩及集中力作用下，橋梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)存在的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，在2號塊的端部建立剛性分析段，并將荷載作用在剛性段上。墩身底部采用固結(jié)邊界條件，2 號塊端部采用對稱邊界。

2.3" "數(shù)值模擬結(jié)果分析

鑒于實(shí)體單元主要受應(yīng)力控制影響，混凝土結(jié)構(gòu)主要以單元的主壓應(yīng)力作為壓應(yīng)力控制因素，同時(shí)以單元體主拉應(yīng)力作為拉應(yīng)力控制因素。考慮預(yù)應(yīng)力、溫度以及施工荷載等影響因素，計(jì)算并提取0號塊最不利荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)云圖，如圖2至圖6所示。

由圖7的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，0號塊整體處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)局部存在較小的拉應(yīng)力。頂板最大應(yīng)力為 0.984MPa，最小應(yīng)力為-0.836MPa;腹板最大應(yīng)力為3.233MPa，最小應(yīng)力為-2.000MPa;底板最大應(yīng)力為 1.940MPa，最小應(yīng)力為2.170MPa;橫隔板最大應(yīng)力為 1.319MPa，最小應(yīng)力為-0.300MPa，0號塊與墩相連部位處的應(yīng)力狀態(tài)為最不利部位，因此在實(shí)際施工和使用過程中應(yīng)該予以關(guān)注。

3" "0號塊模板施工技術(shù)

0號塊模板施工主要包括底模板、外側(cè)模、內(nèi)?！，F(xiàn)分述如下：

3.1" "底模板

0號段箱梁底模采用木模，底模設(shè)置需考慮橋的縱向坡度。對于墩旁支架頂部分，安裝時(shí)首先在墩旁支架頂面鋪設(shè)20號工字鋼，調(diào)整坡度，其上鋪設(shè)100mm×100mm方木，然后鋪設(shè)18mm厚度竹膠板。

墩頂部分首先600cm×300cm鋼模板，用鋼摸把墩頂圍起來，然后在鋼模板內(nèi)填砂子。在砂子頂上鋪設(shè)10mm鋼板，在鋼板上順橋向鋪設(shè)16號工字鋼（該工字鋼高度152mm），工字鋼兩端各伸出墩外50cm，工字鋼兩端壓在鋼管立柱分配橫梁上。在工字鋼設(shè)置100mm×100mm方木，再鋪設(shè)18mm厚度竹膠板。

3.2" "外側(cè)模

外側(cè)模采用大塊整體定型鋼模板，有大型鋼模板廠家制作，運(yùn)至現(xiàn)場拼裝后，整體吊裝。

3.3" "內(nèi)模

0號塊內(nèi)模板采用木模板拼裝，面板采用18mm竹膠板，內(nèi)模順橋向設(shè)置100mm×100mm方木背楞，內(nèi)模豎向用100mm×100mm方木背楞。梁內(nèi)拼裝腳手架加固內(nèi)模板。內(nèi)模就位后，與外側(cè)模用穿心拉桿相連加固。內(nèi)模與梁端模板連接處鑲橡膠條塞緊，以防漏漿。

3.4" "0號塊頂模板

0號塊頂模板采用馬蹬筋+底托+腳手架+[10槽鋼+100mm×100mm方木+18mm厚竹膠板，腳手架安裝前應(yīng)在底板混凝土內(nèi)安裝馬蹬筋，其上設(shè)Φ48mm鋼管支架，然后架設(shè)[10槽鋼來調(diào)整模板的標(biāo)高，最后在[10槽鋼上鋪設(shè)100mm×100mm方木及18mm厚竹膠板。

3.5" "0號塊端模

端頭模板是保證0號塊端部及預(yù)應(yīng)力管道成型要求的關(guān)鍵，端模架使用鋼模，用螺栓與內(nèi)外模聯(lián)結(jié)固定。0號塊的墩旁支架、模板的安裝順序?yàn)椋憾张灾Ъ馨惭b→施工平臺(tái)步行板、欄桿、安全網(wǎng)安裝→底模板安裝→外側(cè)模板安裝→底板、腹板、橫隔板鋼筋綁扎→底、腹板預(yù)應(yīng)力管道安裝→內(nèi)模及底、腹板端模安裝→頂板鋼筋綁扎、預(yù)應(yīng)力管道安裝→頂板端模安裝、固定。0號塊的墩旁支架、模板的拆除順序與安裝相反。

4" "0號塊施工措施剖析

通過以上0號塊有限元模型應(yīng)力狀態(tài)分析可知，最不利受力狀態(tài)的部位為0號塊與墩相連處。鑒于此，針對小半徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的施工過程和0號塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出以下施工控制措施。

4.1" 控制混凝土澆筑溫度

施工場地的平均最高溫度為30℃，屬于典型的熱帶雨林氣候，平均最低溫度為24℃。施工中，要合理控制0號塊的入模溫度，并加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)，以顯著降低因溫度應(yīng)力帶來的影響。

4.2" "控制預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間

針對0號塊區(qū)域的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，合理分析確定縱向、橫向以及豎向預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間和張拉批次，可有效控制0號塊的應(yīng)力狀態(tài)。

4.3" "控制施工不平衡效應(yīng)影響

在橋梁整體結(jié)構(gòu)澆筑施工過程中，0號塊及附近的受力狀態(tài)不斷變化，處于不平衡受力狀態(tài)，產(chǎn)生的剪力粘滯效應(yīng)和彎扭耦合作用對0號塊受力性能的影響增加。因此，加強(qiáng)0號塊的應(yīng)力監(jiān)測，通過調(diào)整施工步驟、合理配重等措施，合理控制不平衡施工效應(yīng)帶來的影響。

5" "結(jié)論

本課題通過對0號塊的研究，特別是小曲線連續(xù)剛構(gòu)橋雙薄壁0號塊的精細(xì)化有限元模型，可對0號塊應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行精確分析，并得出以下結(jié)論。

連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊處于三向預(yù)應(yīng)力作用下，應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜，進(jìn)行有限元精細(xì)化分析非常必要;按最不利荷載考慮，墩身與底部相交的部位處于最不利應(yīng)力狀態(tài)，因此在施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)以上部位的應(yīng)力監(jiān)測，以確保結(jié)構(gòu)運(yùn)營的安全;可以通過預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉時(shí)間、混凝土的澆筑溫度、以及不平衡施工效應(yīng)等具體措施，從而優(yōu)化0號塊的應(yīng)力狀態(tài)。

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