哈大鐵路專線大跨度連續梁施工仿真分析方法與實例

2012-01-22 01:02:43郭景琢

鐵道標準設計 2012年5期

關鍵詞：混凝土結構施工

郭景琢

(中建哈大鐵路客運專線指揮部,遼寧鐵嶺 112000)

1 概述

橋梁施工仿真分析是在全橋范圍內每個施工階段采用大規模的組合有限單元計算分析,建立橋梁完整、統一的分析體系,采用實體、板殼、梁體、桿及索的多種單元組成的組合單元,利用單元的加載和拆除模擬各個施工階段,在此基礎上進行結構計算。

對橋梁的施工仿真分析主要完成的工作有以下3個部分。

(1)建立全橋范圍內各個承載構件的詳細模型,該模型由實體、板殼、梁體、桿及索的多種單元組成,能夠準確地模擬出扣件的空間位置、幾何尺寸、荷載作用、初始內力和初始變形等,同時利用單元的加載和拆除模擬出施工過程中的各個施工階段。

(2)運用可靠的數值分析方法,如有限元法,對上述模型進行分析計算,由此得到相對詳盡、可靠的分析結果。

(3)借助豐富有效的圖形顯示軟件,對計算出的大量數字進行可視化處理,直接看到全橋各部位、各階段的位移、應力、應變等計算結果的分布圖像,從圖像上直接進行分析、判斷,來獲得有用的結論,及時指導施工。

橋梁結構仿真是伴隨著有限元技術及計算機軟硬件發展而組建興起,并逐步完善的。早期的仿真軟件只是利用計算機進行模擬計算,而沒有前后模型處理功能,近年來,由于橋梁事業的發展,圖形化操作系統的出現,強大的硬件平臺的支持,橋梁仿真計算向可視化、綜合化方向發展。同時計算內容也進入了三維空間應力計算、非線性計算、計算—制圖一體化階段。目前國內橋梁施工仿真所使用的軟件主要有ANSYS、MIDAS/Civil、橋梁博士(Dr.Brige)和GQJS等。

2 文官屯特大橋(60+100+60)m雙線無砟軌道連續箱梁的施工仿真分析

哈大鐵路客運專線文官屯特大橋(60+100+60)m預應力混凝土連續梁橋,采用掛籃懸臂施工方式,梁體上部結構如圖1所示。

圖1 文官屯特大橋(60+100+60)m連續梁橋上部結構(單位：m)

該橋主跨計算跨度為(60+100+60) m,邊支座中心線至梁端0.75 m,梁全長221.5 m。中支點梁高7.85 m,跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段梁高為4.85 m,梁底下緣按二次拋物線變化。

梁體為單箱單室、變高度、直腹板、變截面結構。箱梁頂寬12 m,底寬6.7 m,頂板厚度除梁端附近及支點外均為40 cm,腹板厚度60～80、80～100 cm,按折線變化,底板厚度40～120 cm,按直線線性變化。在端支點、中支點、中跨共設5個橫隔板,隔板設有孔洞,供檢查人員通過。

梁體采用C50混凝土,防護墻、遮板及電纜槽豎墻采用C40混凝土。防撞墻內側凈寬8.8 m,橋上人行道鋼欄桿內側凈寬11.9 m,橋面板寬12.0 m,橋梁建筑總寬12.28 m。

主梁設縱向、橫向、豎向三向預應力,縱向預應力鋼筋采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線,公稱直徑15.2 mm,其技術條件應符合GB/T5224—2003標準。

以文官屯特大橋(60+100+60) m雙線無砟軌道連續箱梁為例,采用MIDAS/Civil對橋梁施工全過程進行仿真分析,在仿真分析中考慮混凝土的收縮徐變,預應力鋼筋的應力損失,體系轉換過程中邊界條件變化等因素,計算出各個施工階段應力和撓度變化值。

2.1 結構分析依據

(1)《文官屯特大橋(60+100+60) m連續梁橋施工圖》。

(2)《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)。

(3)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)。

(4)《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002.5—2005)。

(5)《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函[2005]285號文)。

(6)《新建客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設[2003]76號文)。

(7)《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定》(2003年6月頒布)。

(8)其他相關規范、規程。

2.2 結構分析參數

2.2.1 荷載

(1)恒載：按設計圖提供的尺寸,并根據施工現場采集的參數進行必要的修正,考慮結構自重和臨時荷載,并考慮了橋面排水橫坡對結構剛度、變形等的影響。

(2)溫度及混凝土收縮、徐變影響：計算中按規范考慮了結構局部溫差效應及考慮混凝土實際加載齡期的收縮、徐變的影響。

(3)預應力：初期計算按設計圖分階段張拉并按規范計入預應力損失。

2.2.2 材料特性

計算中所用的主要材料特性見表1。

表1 計算所用材料特性

其中,混凝土的彈性模量取自《鐵路橋涵設計規范》,鋼絞線的彈性模量取自現場材料的取樣試驗。

2.2.3 混凝土收縮、徐變參數

混凝土收縮、徐變參數按照規范取值。

2.2.4 預應力鋼束

縱向預應力鋼束彈性模量取自試驗結果,摩阻損失參數取自現場摩阻試驗,其余參考規范及設計圖取值。

2.2.5 混凝土加載齡期及外部環境

計算考慮外界環境為野外一般條件,每個懸臂現澆梁段的加載齡期為3 d。在施工過程中,混凝土加載齡期等參數可能與實際情況不符,將根據實際情況對計算參數進行調整。

2.2.6 掛籃重

掛籃重前期計算與設計相同,施工監控過程中按照掛籃圖統計其重。

2.3 施工仿真分析步驟

(1)定義材料和截面。

(2)建立結構模型。

(3)建立和構件結構組、邊界組和荷載組。

(4)定義施工荷載。

(5)定義預應力鋼束特性。

(6)布置預應力鋼束。

(7)張拉預應力鋼束。

(8)定義時間依存性材料特性值并連接

(9)定義以施工階段分類的單元、邊界條件、荷載的變化等,最后形成施工階段。

(10)進行分析

2.4 材料和截面

根據結構參數定義材料和截面。

2.4.1 箱梁C50混凝土及鋼絞線材料特性(圖2)

圖2 材料特性界面

2.4.2 截面特性(圖3)

圖3 截面特性界面

2.5 計算模型

根據設計圖反映的內容,對連續梁總體結構建立能反映施工荷載的有限元模型。計算模型中根據懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將梁體劃分為全橋共77個節點,76個單元。

連續梁總體計算模型如圖4所示。

圖4 文官屯特大橋(60+100+60)m連續梁計算模型

2.6 建立結構組、邊界組、荷載組

(1)建立結構組并分配單元。根據實際施工的步驟,將同時施工的單元分別定義為結構組。通過拖放功能將生成的結構組分給梁單元。

(2)定義邊界組并添加邊界條件。根據施工實際步驟及體系轉換的過程,建立0號塊臨時支座、0號塊永久支座、邊跨現澆支座,邊跨永久支座。由于節點位置位于截面的中上部,為更好的模擬實際施工狀況,在梁底建立節點,通過彈性連接(剛性)在梁底添加邊界條件。同時通過施工階段中激活和鈍化功能,實現體系轉化中支座的變化。

(3)建立荷載組。施工階段荷載有結構自重、鋼束的預應力荷載、掛藍的自重3種。當激活結構自重時,程序將自動考慮已激活的結構組的自重。將以上3種荷載工況定義為施工階段荷載類型,然后定義各荷載工況所屬的荷載組。