高墩橋梁固結(jié)計(jì)算工作實(shí)際案例分析

摘要：高墩橋梁的墩梁固結(jié)位置的受力情況與構(gòu)造都相對較為復(fù)雜，它是高墩橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的重要位置，在固結(jié)位置應(yīng)保證其剛度足夠，從而實(shí)現(xiàn)橋墩與主梁的連接呈現(xiàn)剛性，也是保證高墩橋梁質(zhì)量與安全性的基礎(chǔ)。本文通過對宜萬鐵路馬水河大橋的固結(jié)計(jì)算分析及其在固結(jié)計(jì)算中的關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行簡單論述，最后提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：高墩橋梁；固結(jié)計(jì)算工作；實(shí)際案例分析

隨著高墩橋梁工程在山區(qū)的大規(guī)模建設(shè)，如何建造出質(zhì)量可靠、安全耐用的橋梁成了設(shè)計(jì)單位需要面臨的問題之一。目前高墩橋梁的固結(jié)構(gòu)造大致可分為三種，即板式、肋梁式與箱形梁墩，其相應(yīng)的固結(jié)方式與計(jì)算方式也不同。下面通過宜萬鐵路馬水河大橋固結(jié)計(jì)算進(jìn)一步分析。

1 高墩橋梁固結(jié)計(jì)算分析

宜萬鐵路馬水河大橋?yàn)?08米的墩高，116米*2的梁跨，其高墩為矩形空心，沒有設(shè)計(jì)實(shí)體段于墩頂位置，墩梁連接方式為空間框架形式，單室單箱直腹板則為其箱梁的橫截面。C40級橋墩混凝土，C60級梁體混凝土，三向預(yù)應(yīng)力懸臂進(jìn)行分段灌注施工其上部結(jié)構(gòu)。

本文利用模型試驗(yàn)與理論計(jì)算比較的方式對其固結(jié)進(jìn)行計(jì)算分析。其中模型試驗(yàn)結(jié)果能夠?qū)⒋髽驅(qū)嶋H受力狀態(tài)較為準(zhǔn)確反映出來，而理論計(jì)算則能彌補(bǔ)模型試驗(yàn)中的不足之處。

首先分別選擇馬水河大橋?qū)崢蚨罩行木€的兩邊30米長的主梁以及橋面下25.5米的范圍制作其微縮模型，其縮尺比例為1：6，同時(shí)根據(jù)大橋在不同負(fù)荷情況下墩梁固結(jié)位置受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)容包括2倍雙線活載與恒定負(fù)載組合作用下、水平制動力作用下、風(fēng)負(fù)荷作用下、全橋單線活載與恒定負(fù)載組合作用下、半橋雙線活載與恒定負(fù)載組合作用下、全橋雙線活載與恒定負(fù)載組合作用下與恒定負(fù)載作用下的各類數(shù)據(jù)。而后利用ANSYS將空間有限元建立起來，并用空間塊體將模型劃分單元，經(jīng)劃分后的各單元應(yīng)有相同的位移于其固結(jié)點(diǎn)位置，而預(yù)應(yīng)力筋的張拉量則利用初應(yīng)變模擬實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)與理論計(jì)算后，我們能夠得到馬水河大橋固結(jié)位置的情況包括以下幾方面：

第一，附加力，即水平制動力與風(fēng)負(fù)荷作用力對馬水河大橋墩梁固結(jié)位置強(qiáng)度的影響相當(dāng)小。

第二，只有當(dāng)固結(jié)點(diǎn)在半橋雙線活載與恒定負(fù)載組合作用狀態(tài)下時(shí)，因受到偏載的影響而使豎向拉應(yīng)力出現(xiàn)于墩壁的無活載一邊，而在這時(shí)拉應(yīng)力最大的位置在墩頂位置的墩壁處，其值為0.84MPa，該值已經(jīng)比C40級混凝土抗拉值1.65MPa小。而在固結(jié)位置處于其他狀態(tài)時(shí)，最大壓應(yīng)力則出現(xiàn)于超2倍活載與恒定負(fù)載的組合作用下，其值為-4.35MPa。

第三，橫橋向與順橋向的墩頂隔板均處于較小壓應(yīng)力的受壓下。而橫橋向與順橋向在梁底板下7厘米位置分別表現(xiàn)出受拉與受壓狀態(tài)，其中當(dāng)處于超2倍活載與恒定負(fù)載的組合作用下有0.49MPa的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)。

第四，有不超過1MPa范圍的較小正負(fù)應(yīng)力存在于各工況下的橫橋向與梁體橫隔板豎向上。橫向拉應(yīng)力則出現(xiàn)在半橋雙線活載與恒定負(fù)載的狀態(tài)時(shí)，其出現(xiàn)位置則在固結(jié)位置內(nèi)側(cè)的過人洞上部，0.51MPa為其最大的橫向拉應(yīng)力。

第五，抗剪力較強(qiáng)的位置在墩梁固結(jié)位置的腹板上，恒定負(fù)載作用狀態(tài)時(shí)，僅有-1.38MPa的最大主應(yīng)力，而當(dāng)超2倍活載與恒定負(fù)載的組合作用狀態(tài)時(shí)，其最大主應(yīng)力也僅表現(xiàn)為-1.23MPa。

第六，固結(jié)位置的梁體底板與頂板始終處于受壓作用之下，其中在超2倍活載與恒定負(fù)載組合作用下的底板最大壓應(yīng)力小于-20.3MPa，而在相同條件下頂板仍保持-2.07MPa的最小壓應(yīng)力。

2 高墩橋梁固結(jié)計(jì)算中的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

通過上述模型與計(jì)算的對比，我們得到了馬水河大橋固結(jié)點(diǎn)計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，由此可以看出，利用這種方法進(jìn)行高墩橋梁固結(jié)的計(jì)算是切實(shí)可行的。但是在具體計(jì)算過程中，我們?nèi)詰?yīng)把握好模型試驗(yàn)與理論計(jì)算中的幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，從而確保計(jì)算結(jié)果的精確程度與可靠性：

（一）選取模型。所選擇的高墩橋梁模型的墩高要比墩底的寬、長值要大，從而避免因分布的墩底錨固力影響梁墩固結(jié)位置的受力狀態(tài)；選擇模型的梁端在加載過程中的Q與M值應(yīng)相近于實(shí)橋；在加載過程中要保證模型周邊有一定的空間，以便于千斤頂與加力架的安裝。除此之外，為便于試驗(yàn)的進(jìn)行，可將非固結(jié)位置的頂板適當(dāng)加厚。

（二）模型制作。應(yīng)保證模型中的預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋以及制備模型的混凝土與實(shí)橋一致，從而得到更為準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。其中利用螺桿模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋并隔0.5米就有豎向的預(yù)應(yīng)力筋一根于腹板之上，普通鋼筋配筋率則與實(shí)橋相等，混凝土級配與制備與實(shí)橋的部位一致。

（三）測試方法。利用百分表測量縱向水平位移、橫向水平位移與豎向位移情況。應(yīng)變花與應(yīng)變片則負(fù)責(zé)測量應(yīng)變，靜態(tài)應(yīng)變測儀與應(yīng)變花、片相連，其自動將數(shù)據(jù)采集后向計(jì)算機(jī)直接輸入。另外利用數(shù)字顯微鏡觀察裂縫寬度絕對值，而其相對值測量則利用跨縫千分表實(shí)現(xiàn)。

（四）理論計(jì)算方式。目前在ANSYS中分析鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力的方式有綜合考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的作用、分別考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的作用兩種，前者是對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行線單元模擬，方法包括初始應(yīng)變法、降溫法等，其缺點(diǎn)是當(dāng)曲線布筋或布筋較多時(shí)，建模較為繁瑣；而后者則將預(yù)應(yīng)力筋作用用荷載進(jìn)行替代，方法包括等效荷載法等，雖然這種方法較為簡便，可直接建模，但其缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯，即不能完整、真實(shí)地體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)。我們在進(jìn)行類似梁墩固結(jié)點(diǎn)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的理論計(jì)算方法。

（五）單元類型。所謂單元類型就是指在理論計(jì)算過程中，需要嚴(yán)格選擇的各單元特性與參數(shù)的選擇。比如在計(jì)算中混凝土的參數(shù)就應(yīng)與實(shí)橋的情況相同，即計(jì)算墩身參數(shù)為C40混凝土的參數(shù)，計(jì)算箱梁參數(shù)為C60混凝土的參數(shù)；預(yù)應(yīng)力筋單元則應(yīng)合理劃分，同時(shí)單元類型的定義應(yīng)從材料特性、初始應(yīng)變、橫截面等各方面進(jìn)行；混凝土單元則應(yīng)充分考慮材料徐變、塑性變形、受壓破壞、受拉開裂等各方面因素。

3 相關(guān)建議

（一）在進(jìn)行比例實(shí)物模型試驗(yàn)過程中，為考慮到能夠真實(shí)反映出實(shí)橋的情況，所建模型應(yīng)具有一定規(guī)模，同時(shí)應(yīng)制定相關(guān)的試驗(yàn)流程與突發(fā)事件處理，從而在保證試驗(yàn)人員安全的基礎(chǔ)之上，獲取較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（二）在上述試驗(yàn)中也有不全面的地方，比如并沒有將混凝土徐變收縮、溫度等可能影響到墩梁固結(jié)位置的因素考慮在內(nèi)，造成在試驗(yàn)數(shù)據(jù)上可能有所缺失，在遇到類似的墩梁固結(jié)計(jì)算時(shí)，應(yīng)更為全面地考慮這方面。

（三）目前我國高墩橋梁的固結(jié)位置的構(gòu)造仍然有很大的可改進(jìn)空間，如何能在保證橋梁有著足夠剛度與承載力的前提下，將固結(jié)位置的構(gòu)造進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)是設(shè)計(jì)人員著重研究的方向之一。

結(jié)語：綜上所述，對于高墩橋梁固結(jié)點(diǎn)的計(jì)算是決定高墩橋梁整體質(zhì)量與安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過建立模型試驗(yàn)與理論計(jì)算對比的方法能夠?qū)Ω叨諛蛄汗探Y(jié)點(diǎn)的計(jì)算精度與質(zhì)量起到有效保障的作用，但在整體計(jì)算過程中，我們?nèi)詰?yīng)合理處理好例如單元類型、計(jì)算方法、模型制作等各方面的問題，才能確保計(jì)算得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為建設(shè)高質(zhì)量、耐用的高墩橋梁提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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