混凝土拱橋施工監(jiān)測(cè)仿真技術(shù)研究

周曉滿(mǎn)

混凝土拱橋施工監(jiān)測(cè)仿真技術(shù)研究

周曉滿(mǎn)

采用通用有限元軟件ANSYS 8.0,對(duì)大跨度鋼筋混凝土拱橋全橋結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行了全橋靜力分析,得出各主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力、內(nèi)力和變形值,從而找出了各構(gòu)件監(jiān)控的主要部分,從而為拱橋施工監(jiān)測(cè)仿真技術(shù)研究積累經(jīng)驗(yàn)。

混凝土拱橋,施工監(jiān)測(cè),有限元,仿真分析

大跨度鋼筋混凝土拱橋在過(guò)去常用搭架(拱架)施工法,隨著施工技術(shù)的發(fā)展,擴(kuò)大了拱橋的適用范圍,提高了它在大跨徑橋梁中的競(jìng)爭(zhēng)能力。鋼筋混凝土拱橋與斜拉橋相比,抗風(fēng)穩(wěn)定性強(qiáng),造價(jià)低,維修費(fèi)用小。混凝土拱橋(包括污工拱橋和鋼筋混凝土拱橋)雖然也存在部分缺點(diǎn),但由于其優(yōu)點(diǎn)突出,在我國(guó)公路橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1,2]。本文提出了一種仿真分析模型,用大型通用有限元軟件 ANSYS根據(jù)各個(gè)構(gòu)件的實(shí)際情況,建立了全橋的有限元分析模型,用來(lái)模擬橋梁在各個(gè)施工階段的受力分析。根據(jù)各工況下的靜力分析結(jié)果,提出了鋼筋混凝土拱橋的施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)控制要點(diǎn),得出各主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力、內(nèi)力和變形值,找出各監(jiān)控構(gòu)件的主要部分,為試驗(yàn)確定施工監(jiān)測(cè)測(cè)試傳感器的安裝截面和測(cè)點(diǎn)位置提供依據(jù)。

1 仿真分析模型的建立

拱橋主要由拱肋、立柱和橋面系三部分組成,橋面系由縱梁、橫梁、橋面板組成。作為一剛性立柱剛性拱的空間整體受力結(jié)構(gòu),其荷載傳力路線為：橋面板—橫梁—縱梁—立柱—拱肋—承臺(tái)—基礎(chǔ)。本文仿真拱橋主要構(gòu)件含：承臺(tái)及樁基、拱肋、拱靴、中立柱、邊立柱、拱肋立墻、橋面板等。

建模采用直接建模的方法。拱肋在建模時(shí)采用離散成折線形的直梁?jiǎn)卧猍3-5]。實(shí)現(xiàn)鉸接的方法是：在同一位置用 2個(gè)節(jié)點(diǎn),然后耦合。因?yàn)檫吜⒅鶆偨佑诔信_(tái)之上,而拱肋是要鉸接于承臺(tái)上的,可以利用同一個(gè)節(jié)點(diǎn)模擬。拱肋、縱梁、橫梁和立柱等構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧?Beam188。梁?jiǎn)卧c梁?jiǎn)卧g的連接方式默認(rèn)為剛性連接,在梁?jiǎn)卧?Beam188中必須要把 Keyopt(3)設(shè)置成 2,橋面板和 5號(hào)立柱至拱中設(shè)置混凝土立墻均采用板殼單元 Shell63模擬。拉索處于受拉狀態(tài)且為小位移狀態(tài),故采用三維桿單元Link10來(lái)模擬。承臺(tái)采用Beam44來(lái)模擬。在承臺(tái)底用一個(gè) 6個(gè)方向的剛度可以相互耦合的彈簧單元Combine14代替樁基對(duì)承臺(tái)的作用。模型中的單位采用國(guó)際單位：質(zhì)量采用 kg;長(zhǎng)度采用m;結(jié)果中單位：應(yīng)力為 Pa;彎矩為 Nm;軸力為 N。模型共有單元3 029個(gè),其中梁?jiǎn)卧?1 057個(gè);板單元有 1 920個(gè);桿單元有4個(gè);彈簧單元有 48個(gè)。

荷載計(jì)算：結(jié)構(gòu)重力：即全橋自重作用下的受力分析。根據(jù)《城市橋梁荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,結(jié)構(gòu)物重力及橋面鋪裝、附屬設(shè)備等外加重力均屬結(jié)構(gòu)重力密度,所以只考慮橋面鋪裝層的重量而不考慮其剛度[6]。預(yù)應(yīng)力：模擬對(duì)全橋縱梁的縱向預(yù)應(yīng)力筋束進(jìn)行張拉施工,預(yù)應(yīng)力筋束采用超張拉工藝,錨下控制應(yīng)力為 1 357.8 MPa,乘以鋼鉸線截面面積得出縱向壓力 55 800 kN。活荷載：拱橋荷載為城—A級(jí),根據(jù)《城市橋梁荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,橋梁的主梁、主拱等計(jì)算應(yīng)采用車(chē)道荷載。城—A級(jí)車(chē)道荷載應(yīng)按均布荷載加一個(gè)集中荷載計(jì)算。當(dāng)橋的跨徑大于 20m且不大于 150m時(shí),計(jì)算彎矩時(shí),車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用 10.0 kN/m,所加集中荷載采用 300 kN。人行道板的人群荷載采用 5 kPa的均布荷載計(jì)算。

2 施工階段內(nèi)力計(jì)算與監(jiān)控過(guò)程分析

恒載的內(nèi)力計(jì)算和施工過(guò)程有關(guān)。該拱橋采用先分段預(yù)制拱肋,同時(shí)澆筑灌注樁、承臺(tái)、安裝拉索并張拉,架設(shè)施工支架,吊裝拱片在四根支架上,固定拱腳和拱頂;澆筑拱靴,連接拱頂;從中到邊按順序拆除支架,并張拉拉索。注意在拆除支架時(shí)不要突然撤掉支架,以免拱頂積蓄的應(yīng)變能突然釋放,在自重的作用下導(dǎo)致拱頂位移過(guò)大而導(dǎo)致拱頂?shù)撞块_(kāi)裂;然后安裝立柱模板、澆筑立柱混凝土,并張拉拉索;架設(shè)縱橫梁及橋面板模板、澆筑縱橫梁及橋面板混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉縱梁預(yù)應(yīng)力鋼索;張拉拉索、安裝錨頭保護(hù),主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束。

表1 邊立柱各測(cè)試截面的理論計(jì)算值

表2 中立柱各測(cè)試截面的理論計(jì)算值

表3 各工況下拱肋各測(cè)試截面的理論計(jì)算值

根據(jù) 6個(gè)施工順序分別顯示內(nèi)拱肋和外拱肋左拱腳附近單元、拱肋 1/4左、1/4右和拱頂截面的軸力和彎矩;從安裝立柱模板、澆筑立柱混凝土開(kāi)始到最后一個(gè)工況,列表顯示內(nèi)拱肋和外拱肋上的邊立柱和 4根中立柱的軸力、彎矩和剪力;在后三個(gè)工況中顯示內(nèi)梁和外梁的梁端、四分點(diǎn)和跨中截面的剪力、彎矩;從橫梁中挑選左梁端、1/4跨、跨中等列表顯示剪力、彎矩。同時(shí)在整個(gè)施工過(guò)程中,分別顯示跨中截面的撓度變形值。限于篇幅,僅列出邊立柱和中立柱各測(cè)試截面的理論計(jì)算值如表1～表 3所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,分析得出在全橋施工過(guò)程中,對(duì)各關(guān)鍵施工階段進(jìn)行內(nèi)力、變形以及變位的監(jiān)測(cè)與控制,應(yīng)主要完成以下工作：

1)澆筑完承臺(tái)后張拉拉索的施工過(guò)程中,監(jiān)測(cè)和控制承臺(tái)的水平位移,測(cè)試?yán)鞯睦Α?/p>

2)拆除臨時(shí)支墩并張拉拉索的施工過(guò)程中,跟蹤監(jiān)測(cè)拱肋各測(cè)試截面處的應(yīng)力和變形,并跟蹤監(jiān)測(cè)和控制承臺(tái)的變位和拉索的拉力。

3)澆筑拱上立柱混凝土并張拉拉索的施工過(guò)程中,測(cè)試各測(cè)試邊立柱各測(cè)試截面內(nèi)的混凝土應(yīng)力,測(cè)試拱肋各測(cè)試截面處的應(yīng)力和變形,并跟蹤監(jiān)測(cè)和控制承臺(tái)的變位和拉索的拉力。

4)澆筑縱橫梁和橋面板混凝土并張拉拉索的施工過(guò)程中,測(cè)試縱橫梁和立柱的混凝土應(yīng)力,測(cè)試拱肋各測(cè)試截面處的應(yīng)力和變形,并跟蹤監(jiān)測(cè)和控制承臺(tái)的變位和拉索的拉力。

5)張拉縱梁預(yù)應(yīng)力鋼束并張拉拉索的施工過(guò)程中,測(cè)試縱橫梁和立柱的混凝土應(yīng)力,測(cè)試拱肋各測(cè)試截面處的應(yīng)力和變形,并跟蹤監(jiān)測(cè)和控制承臺(tái)的變位和拉索的拉力。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)拱橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和施工全過(guò)程的監(jiān)測(cè),測(cè)得了該拱橋的主橋在施工各階段的位移和應(yīng)力,得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)應(yīng)變儀的測(cè)量,測(cè)得主橋各部位混凝土的應(yīng)力。這些應(yīng)力的大小和分布規(guī)律符合設(shè)計(jì)意圖。測(cè)得的該橋混凝土壓應(yīng)力的最大值未超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度,滿(mǎn)足規(guī)范要求。2)比較全橋各部位混凝土的應(yīng)力水平,發(fā)現(xiàn)拱腳部位混凝土的壓應(yīng)力最大,最大壓應(yīng)力已經(jīng)大于 20MPa,再加上部分拱腳的鉸接點(diǎn)處理不理想,造成拱腳附近拱肋上面和下面的應(yīng)力有較大差別,這些對(duì)于截面較小的拱腳部位都是不利的,建議今后同類(lèi)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)此部位予以加強(qiáng)。對(duì)本橋應(yīng)在使用中定期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的主要部位進(jìn)行定期檢查,尤其是使用初期。3)傾斜的邊立柱在施工中容易產(chǎn)生由于自重引起的彎矩,施工中應(yīng)注意柱模板水平支撐的剛度。4)對(duì)于該橋最主要的拱肋部分,在施工過(guò)程中除個(gè)別點(diǎn)在個(gè)別時(shí)刻出現(xiàn)過(guò)很小的拉應(yīng)力,其余全部受壓,且壓應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。這說(shuō)明該橋的拱軸選擇合理,在主要荷載作用下實(shí)現(xiàn)了無(wú)矩。5)該橋在施工中豎向位移很小,說(shuō)明其具有很好的剛度。

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Study on simulation technology for construction monitoring on concrete arch bridge

ZHOU Xiao-man

Through adopting finite element software ANSYS8.0,this paper carries on whole bridge static analysis for large-span steel rein forced concrete arch bridge structure according to its load,and obtains stress,internal force,and deformation value of each structural component.Thus,it finds outmain monitoring components of each structure,and accumulates experience for simulation technology research for construction monitory on concrete arch bridge.

concrete arch bridge,construction monitoring,finite element,simulation analysis

U 446

A

1009-6825(2011)03-0172-02

2010-09-21

周曉滿(mǎn)(1978-),男,工程師,天津城投集團(tuán),天津 300381