基于有限元分析的柱式橋墩鋼模板仿真設(shè)計

楊 艷，陳裕波

(1.攀枝花學(xué)院 交通與汽車工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花市交通運(yùn)輸局，四川 攀枝花 617000)

1 工程概況

某礦上快速通道，全線共6座橋梁，橋梁設(shè)計均為20 m跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，橋墩均采用直徑160 cm柱式墩，最高墩高20 m。采用柱式鋼模板進(jìn)行墩混凝土施工，模板直徑為160 cm，模板按高度分為1 m和3 m 2種，如圖1 所示。每節(jié)分2塊制作[1]。面板采用厚度δ=5 mm鋼板，豎肋采用[63，每塊平模共9根，呈倒扣“[”型焊于面板上，間距為26.44 cm；橫肋采用[8，呈倒扣“[”型外焊于豎肋上， 2根1 m高模板，6根3 m高模板；法蘭及豎連接板采用厚度δ=12 mm鋼板。

圖1 不同高度模板圖

2 設(shè)計參數(shù)

模板外力主要有新澆混凝土對模板側(cè)面壓力、振搗混凝土?xí)r對模板產(chǎn)生的側(cè)壓力及風(fēng)荷載[2]。

1)新澆注混凝土對模板側(cè)面壓力

對于豎直模板，新澆筑混凝土的側(cè)壓力是其主要荷載[3]。當(dāng)混凝土澆筑速度<6 m/h時，作用于側(cè)面模板的最大側(cè)壓力Pm的計算式為

Pm=Kρgh，

式中 q為混凝土的密度，q=2.65 t/m3；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；K為外加劑影響修正系數(shù)，摻緩凝外加劑時，K=1.2；h為有效壓頭高度，當(dāng)v/T≤0.035時，h=0.22+24.9v/T，當(dāng)v/T≥0.035時，h=1.53+3.8v/T，其中T為混凝土入模時的溫度，取T=10 ℃；v為混凝土的澆筑速度，v=5 m/h。

則Pm=107.02 kN/m2。

2)振搗混凝土?xí)r對側(cè)面模板的側(cè)壓力

振搗混凝土?xí)r對垂直面模板的側(cè)壓力Pl=4.0 kPa。

3)風(fēng)荷載

假定橫橋向風(fēng)荷載垂直作用于橋梁各部分迎風(fēng)面積的形心上，計算式為

Fwh=k0k1k3WdAwh，

求得Fwh=17.24 kN。

4)荷載組合

荷載組合I：1.2Pm+1.4Pl(用于模板承載力計算)；

荷載組合II：1.2Pm(用于模板剛度計算)；

荷載組合III：Fwh(用于模板穩(wěn)定性分析)。

3 建模及有限元分析

目前有限元分析軟件較多，有限元軟件Midas Civil結(jié)合中國國內(nèi)的規(guī)范、要求、習(xí)慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計等多方面提供了很多便利的功能，已廣泛應(yīng)用于各大公路、鐵路、橋梁，是通用的空間有限元分析軟件。

圖2 3 m高墩柱模板有限元模型三維效果圖

采用Midas Civil進(jìn)行建模分析，其中模板面板、法蘭及豎向連接板均采用板單元模擬，橫肋、豎肋采用空間梁單元模擬。在荷載作用下模板底端產(chǎn)生的水平方向與豎直方向位移均可忽略不計，因此采用固定約束進(jìn)行模擬。新澆混凝土對模板的側(cè)壓力采用壓力荷載進(jìn)行模擬，模板高度為0～11.57 m段，壓力荷載均勻分布；11.57～15 m段，壓力荷載線性變化。振搗混凝土對模板的側(cè)壓力采用壓力荷載進(jìn)行模擬。

澆筑墩柱時，一次澆筑高度均不超過15 m，為安全起見，按15 m計算，采用5節(jié)3 m高模板拼裝而成，如圖2所示。

3.1 面板驗算

面板在荷載組合I作用下最大應(yīng)力σmax=31.11 MPa<[σ]=235 MPa，因此面板強(qiáng)度滿足要求。面板在荷載組合II作用下最大位移為0.47 mm<1.5 mm，面板剛度滿足要求[4]。

面板應(yīng)力圖如圖3(圖中應(yīng)力單位為MPa)所示,面板位移圖如圖4所示。

圖3 面板應(yīng)力圖 圖4 面板位移圖

3.2 豎、橫肋驗算

豎、橫肋在荷載組合I作用下的最大應(yīng)力為47.11 MPa，σmax=47.11 MPa<[σ]=235 MPa，故知縱、橫肋強(qiáng)度滿足要求。豎、橫肋在荷載組合II作用下最大位移為0.46 mm

圖5 豎、橫肋應(yīng)力圖 圖6 豎、橫肋位移圖

3.3 豎向連接板連接螺栓抗拉驗算

圖7 一側(cè)模板受力分析示意圖

模板受到螺栓的拉力T，以及新澆混凝土與振搗產(chǎn)生的壓力荷載P，如圖7所示。根據(jù)模板外荷載在X方向存在力學(xué)平衡可得

T=PDh/2，

式中 P為新澆混凝土與振搗產(chǎn)生的壓力荷載，P=111.02 kPa；D為模板直徑，D=1.6 m；h為模板高度，h=3 m。

求得T=266.45 kN。

半圓形模板一側(cè)共計14個B22螺栓，可求得單個螺栓所受的拉力T1=22.83 kN<47.9 kN，對拉螺栓受力滿足要求。

3.4 穩(wěn)定性驗算

沿線路縱向在墩身兩側(cè)各設(shè)置2根纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩與墩身的夾角為45°，如圖8所示。

圖8 風(fēng)纜設(shè)置圖

根據(jù)風(fēng)向方向的力學(xué)平衡[6]，可得

Fwh=Ncos 45°cos θ+Ncos 45°sin θ

式中 N為單根鋼絲繩的拉力；Fwh為風(fēng)荷載合力，F(xiàn)wh=17.24 kN；θ為0°～90°。

4 結(jié)論

通過對柱式鋼模板進(jìn)行有限元建模分析，建立了柱式模板的整體分析計算模型，能更準(zhǔn)確的模擬施工狀態(tài)，有利于高墩大模板的推廣應(yīng)用，為鋼模板設(shè)計提供新的設(shè)計理念。

參考文獻(xiàn)：

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[3]周水興.路橋施工計算手冊[K].北京：人民交通出版社，2001.

[4]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.分析與設(shè)計原理[M].北京：北京建筑工業(yè)出版社，2011.

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[6]李杰.雙柱式橋墩蓋梁內(nèi)力計算模型探討[J].中外公路，2011(6):180-182.

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