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1、大跨径连续刚构桥梁施工控制与仿真分析大跨径连续刚构桥梁施工控制与仿真分析叶华强,李凡(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009)摘要:预应力连续刚构桥结构受力和变形情况十分复杂.以某桥梁工程为例,采用Midas/Civil软件建立有限元仿真分析模型,计算桥梁各施工阶段的应力和变形情况.将施工过程中线形控制与应力控制的实测数据与理论数据进行对比分析,探讨桥梁关键部位在施工过程中的应力变化规律,以及有限元分析软件在工程建没中的应用价值.关键词:连续刚构桥;施工控制;仿真分析;悬臂施工中图分类号:U448.215;U448.23;U445.4文献标识码:A文章编号:16735781(20
2、10)06082903近年来,随着我国基础设施的建设,带动了我国桥梁行业的快速发展.连续刚构桥梁的结构特点是梁体连续,墩梁固结,并利用高墩的柔度来适应结构预应力,混凝土收缩,徐变和温度变化所产生的位移l1.由于桥梁设计软件的不断升级完善及设计与施工经验和能力的提高,预应力连续刚构桥的跨径将越来越大,而这种桥型的使用也将越来越广泛2.本文利用某桥梁工程实际数据为例,通过使用Midas/civil有限元软件对桥梁悬臂施工阶段的应力进行分析,研究桥梁在施工中的关键截面的变形和受力情况.并与现场实测数据进行对比分析,探讨有限元分析软件在工程建设中的应用和价值.1工程概况某桥梁为5跨预应力混凝土变截面连
3、续刚构桥,由左右两幅两座分离式桥梁组成,桥梁全长4741Tl,跨径组合为50m+l14m-t-140m+114In+56In.桥梁上部结构采用单箱单室预应力混凝土变截面连续刚构箱梁,箱梁根部梁高主墩为8In,次主墩为6m,跨中及端部梁高均为3m,梁高以1.8次抛物线变化,顶板宽11.8m,底板宽6.51TI.桥梁下部主墩采用双薄壁空心墩,墩顶与梁体固结,最高墩78111.期.在主桥桥面上每隔5m设一个高程监测点,施工过程中,对每一梁段的立模,混凝土浇筑前,混凝土浇筑后,张拉预应力钢束和挂篮移动的标高进行监测,从而观察各点的挠度及箱梁曲线的变化,以保证主桥合龙时的精度和桥面线形l3.并根据大跨径
4、连续刚构桥梁在悬臂浇注过程中的受力情况,在主桥每跨1/2,1/4处和主墩两侧等关键控制截面布置应力监测点,以观察在施工过程中这些截面的应力变化及应力分布情况.共布置12个截面,8O个应力测量点(图1,图2).图1桥梁应力测点布置示意图_,口:图2截面应力计布置图2施工控制方法及措施3有限元仿真及计算为了保证桥梁建成时尽可能地接近理想设计状态,同时也确保施工过程安全并保证施工质量和工收稿日期:20100312;收稿日期:20100412作者简介:叶华强(1985一),男,安徽肥东人,合肥工业大学硕士生;李凡(1967一),男,安徽明光人,博士,合肥工业大学副教授本文采用Midas/Civil有限
5、元软件建立主桥三维仿真模型,计算桥梁整体受力及关键截面的应力情工程与建设2010年第24卷第6期829况.由于高墩大跨径桥梁的空间结构十分复杂,所以在有限元建模过程中,在不影响结构受力的情况下,需对结构进行必要的简化,如忽略箱梁中的齿板,人洞和横隔板等结构的影响.但为了使结构计算更接近实际,仿真模型的结构尺寸和受力特点应尽可能的与实际相符;应尽量按照实际材料参数来取模型单元材料的参数;并且在划分施阶段时,也应尽可能与实际施工阶段相一致.3.1结构材料参数主梁材料为C50混凝土,容重2.510N/m.,弹性模量34.5GPa,泊松比0.2;墩身材料为C40混凝土,容重2.510N/m.,弹性模量
6、32.5GPa,泊松比0.2;预应力钢绞线为ASTM41692低松弛270级钢绞线,标准强度l860MPa,弹性模量I.9510jMPa.混凝土徐变系数2.0,收缩应变1.510,钢束松弛率3.5%.3.2结构模型的建立桥梁仿真模型以顺桥向为轴,横桥向为Y轴,竖向为z轴建立,共230个节点;210个单元;其中主梁共140个单元,单元尺寸以实际施工块段尺寸取值(图3).主桥按先次中跨合龙,然后解除1,4主墩图3全桥仿真模型墩顶临时锚固,再进行边跨合龙,最后中跨合龙的顺序施工.在4个主墩处采用刚性连接与主梁0块连接,以模拟实际施_中墩粱固结;主墩与承台连接模拟为固定支座,并在边跨端侧设置活动铰支座
7、.主桥计算模型共分为56个施工工况,每号块梁段施工分为3个工况(浇注混凝土,张拉预应力,挂篮移动).4施工监控数据对比分析4.1线形控制在桥梁悬臂施工过程中,线形控制十分重要,需对各个施工阶段进行高程监测,为尽量减小温度的影响,挠度的观测安排在早晨太阳出来之前进行.在整个施工过程中,主要观测内容包括:挂篮移动前后,混凝土浇筑前后,预加力张拉前后,边(中)跨合龙前后,830工程与建设2010年第24卷第6期成桥前后的各项标高值.以这些观测值为依据,并按照合理的施工预拱度施工各块段,可以保证桥梁合龙精度和桥面线形.桥梁施工过程中施工预拱度为F坝一/桥+/期徐变+/1,2活裁(1)其中:F顸为施工预
8、拱度;f,ar为结构某一点在立模后,由于以后的施工操作使该点产生变形,这种变形直到成桥后为止,以向下为正;期徐变为桥梁成桥3年后由混凝土收缩徐变所产生的变形,以向下为正;fl,活载为桥梁受到1/2汽车荷载时所产生的变形,以向下为正.表1为Midas/Civil有限元软件计算主桥2,3墩上主梁悬臂浇筑过程中所需设立的施工预拱度数据.图4为主桥在成桥后2主墩上主梁各节点的位移曲线图.表1施工控制预棋度rnm施一段号2墩施:【预拱度3墩施工预拱度次中跨侧中跨侧次中跨侧中跨侧32.643O.2331.9433.9936.3639.1143.2347.1751.3155.9260.8264.7866.4
9、364.7560.9251.4937.5231.6627.6328.2O29.163O.5232.3435.3838.4041.8245.935O.5854.5656.5955.6152.7944.6232.O6罨气锷写一计:图4桥梁成桥后2主墩上主梁各点位移从图4可以看出,成桥后2主墩上主梁各点的位移主要由预应力和恒荷载引起的.但由于预应力使梁段产生向上的位移,恒荷载使梁段产生向下的位s3卯船昭宅号瑚瑚L耋砸296303692目u,漤移,两者相互抵消,致使主梁最终位移较小,均在3CiT.以内.主梁由混凝土收缩徐变引起的位移较小.但是在14梁块处,由混凝土收缩徐变引起的位移达4.1mm,占总位
10、移的36%.因此,不能忽视混凝土收缩徐变的影响.4.2应力控制在高墩连续梁桥悬臂施工过程中,进行应力控制可以保证施工的安全.应力监测所测得的应力数据受到多种因素(如温度,收缩,徐变以及施工临时荷载等)的影响.因此实测应力数据包括了温度应力,混凝土收缩徐变产生的应力等.所以在处理实测数据时,应按照规范要求,将温度,混凝土收缩徐变应力给予剔除.图5为成桥后全桥各应力监测点实测应力值与计算值对比图;表2给出2墩C截面在各粱段施工过程中对应工况的实测数据和理论数据.8委7453abcdefghijk(a)成桥后各截面顶部应力对比(b)成桥后各截面胝郡应力对比图5成桥后全桥各应力监测点实测应力值与计算值
11、对比从图5可知,成桥后各截面均处于受压状态,并且应力值的实测值和计算值基本吻合,其变化趋势相同.成桥后在跨中处(a,f,g,1)截面顶部均比墩顶附近(C,d,i,j)应力值小,而跨中的截面底部应力均比墩顶附近大.截面顶部应力在跨中小于底部,但在各墩顶附近截面顶部应力大于截面底部应力.这种截面应力分布与桥梁在其自重荷载作用下分布相反,由此可得,成桥后主梁各截面应力分布符合桥梁受力特性,并有利于提高桥梁运营阶段的安全储备.在整个悬臂施工过程中,最大拉应力计算值为0.08MPa,实测值为0.45MPa;最大压应力计算值为8.31MPa,实测值为8.25MPa,均在规范要求范围内,说明桥梁在施工过程中
12、结构处于安全状态,并有一定的安全储备.表2主桥2墩C截面实测应力与计算值对比表gPa梁段工况面顸盖1块移挂篮O.590.081.370.200.183块移挂篮2.660.012.561.790.484块移挂篮3.680.064.172.120.455块移挂篮4.640.194.102.740.806块张拉后5.600.314.132.830.987#块张拉后6.270.706.623.371.O58块张拉后6.831.185.813.641.359块张拉后7.351.686.194.071.7610#块浇筑后6.432.596.533.862.O411#块浇筑后6.843.186.674.70
13、2.2214#块浇筑后6.955.737.5l6.206.1715块浇筑后6.956.637.036.356.47l6块浇筑后6.897.617.956.506.8216块张拉后8.077.3O8.156.507.2417块张拉后7.948.317.8O6.678.25注:表中压应力为正,拉应力为负.5结束语(1)在桥梁施工过程中,实测应力值与理论应力值相差不大,且应力值均在规范要求之内.成桥后各截面的应力分布有利于提高桥梁在今后运营阶段的承载能力.(2)主梁关键截面的受力和变形规律均符合实际工程情况,可以说明有限元软件能够较好的反映桥梁的实际施工情况.值得在今后的桥梁设计和施工控制领域进行推
14、广.参考文献1范立础.预应力混凝土连续梁桥M.北京:人民交通出版社,1999.2王文涛.刚构连续组合梁桥M.北京:人民交通出版社,1997.3马保林.高墩大跨径连续刚构桥M.北京:人民交通出版社,2001.4武芳文,薛成风,赵雷.连续刚构桥悬臂施工线形控制分析EJ.铁道工程,2006,4(4):2933.5王运涛,王维红,陈宇峰,等.预应力连续刚构桥施工空间仿真分析_J.重庆交通大学,2007,26(5):2124.6巩春领,肖汝诚.大跨径刚构连续组合梁桥整体受力分析与探讨_II.结构工程师,2004,20(5):1419.7YrGD622004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范Is.工程与建设2olo年第24卷第6期831