昆明金星立交橋現澆箱梁施工沉降分析與研究

張素紅

摘 要：城市橋梁是城市交通的重要組成部分，它是城市交通發展的象征之一。近年來隨著城市的快速發展，各大城市都在興建城市立交橋，以緩解交通擁堵。城市是人口密集區，所以城市立交橋建設的好壞直接關系到生命安全。沉降是現澆橋梁施工控制的主要指標之一，沉降控制不好不僅會影響工程質量，還會使行車有跳車感，嚴重時會造成重大交通事故。該文根據實際工程案例，采用ansys大型有限元軟件分析預測了昆明金星立交橋9#～10#墩現澆箱梁施工時的位移變形，根據該預測結果有針對性地控制箱梁的沉降及變形。引進有限元分析軟件對箱梁現澆施工時變形量進行預測分析，這對類似工程有很大的借鑒作用。

關鍵詞：現澆箱梁 沉降觀測 ANSYS有限元軟件

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0129-05

隨著城鎮化步伐的加快，城市交通擁堵問題日漸突出。城市立交橋是解決城市交通擁堵主方式之一，而且城市立交橋也逐步成為城市發展的主要象征之一。現在，人們不僅僅對工程質量非常重視，同時對行車安全、舒適程度的要求也越來越高。由于城市橋梁的施工受場地限制，施工一般采用現澆是施工。在保證工程質量的情況下，要想達到行車安全、舒適的要求，那么我們在橋梁現澆施工時必須預測和控制現澆梁的尺寸。論述現澆梁沉降的文獻很多：文獻[1]結合繞越高速公路現澆梁論述了現澆預應力箱梁的沉降觀測施工控制，提出了隨著立交橋的結構設計形式日益繁多、地理環境條件的不同，其具體的施工工藝也會不盡相同。因此，在實際施工中只要因地制宜，科學施工，不斷地去創新、研究，才能切實地保證安全，并取得成功，才能獲得良好的社會效益和經濟效益；文獻[2]通過廣珠西線高速公路石洲互通立交主線橋的施工實踐，介紹在軟土地基上采用滿堂紅支架施工現澆箱粱，對箱粱支架進行全仿真預壓并取得沉降觀測規律以指導普通現澆連續箱粱施工；文獻[3]結合濱海輕軌工程，通過有選擇性的局部支架預壓試驗作沉降觀測，為相似地質段后續連續箱梁施工提供預拱數據，從而簡化工序，加快了施工進度；文獻[4]通過對甘肅清嘉高速公路酒泉立交鋼筋混凝土連續箱梁橋及寧夏鹽中高速公路恩和立交鋼筋混凝土連續箱梁橋進行了沉降觀測，總結出了一套切實可行觀測方案；等等。根據文獻調閱情況，前人的研究大多以理論計算預測現澆梁施工時的沉降，很少借助計算機技術。本文結合昆明金星立交橋現澆梁，應用大型有限元軟件ansys首先對現澆梁沉降作出預測，然后根據預測結果指導施工，控制現澆梁在施工時的沉降。

1 工程概述

1.1 工程概況

金星立交橋位于北二環東側，為北二環與北京路交叉的全互通立交體系，北二環主線和北京路主線分別為高架橋，高架橋分為雙向六車道。現金星立交橋改擴建項目在原有高架橋上增加上下行各三車道的快速系統主線高架，標準橋面寬度為13 m，路線長度Na1線總長981.978 m，Nb1線總長989 m。東接小莊立交高架橋，西接馬村立交高架橋，為符合城市長遠發展規律，增加視覺效果和視野的通透性，上部采用分離式現澆連續箱梁的結構形式。

金星立交橋處于凹洼地段，南北側北京路兩頭及小莊立交、馬村立交的標高均比金星立交橋區高，下雨后四周的雨水將統統匯集至金星立交橋橋區。2008年雨季期間匯集至橋下路面的最大雨水深度達1.7 m，加之金星橋區地質較差，遭水淹后將導致地基承載力降低，造成支架沉降，若不對支架基礎及支墩下地基進行相應的處理將無法保證現澆箱梁的質量和施工的安全。

1.2 支墩地基處理

1.2.1 支墩基礎處理

支墩所處地基在老路上的直接澆筑基礎，而對于軟弱地基，開挖2 m左右深基槽，將3～5 m長木樁（鋼板、管樁）按@400梅花形布置，壓入地表以下軟弱層，然后上部進行回填塊石、碎石料、土夾石碾壓處理（回填深度不小于1.5 m），并用壓路機壓實后，在支墩下方澆注鋼筋混凝土基礎，基礎厚度為1米，然后在基礎上支立支墩（必要時地基壓漿處理）。采用φ200鋼管樁時，間距調整為0.6～0.8 m，長度6 m。基槽四周在換填時沿基槽壁滿鋪防水材料。北京路鋼管柱處的地基進行硬化處理，并且在鋼管柱支墩下方澆注C30鋼筋砼擴大基礎，鋼筋砼基礎下方1m換填水泥穩定料，最底部根據現場情況換填0.4～2 m片石，同時根據情況對基底壓漿固化處理。

1.2.2 臨時支墩施工

該跨支墩分為兩種，即北京路兩側的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩。

跨北京路路口現澆梁施工時，臨時支墩布置在二環路外側部分，并沿北京路兩側緊靠防撞欄布置。支墩采用貝雷梁片組成，貝雷梁縱向間距0.9 m，貝雷梁之間通過支撐架進行連接加固，臨時支墩橫橋向布置3片，垂直方向布置8層。

雖然雙層貝雷梁片抗彎滿足要求，但考慮到跨度越大，縱向貝雷梁的撓度越大，為減小撓度，避免兩次澆注現澆梁時混凝土出現開裂，必須在跨中位置設置支墩。本跨支墩設置在北京路中央，由50鋼管和32型鋼組成。由于受北京路中央分隔帶寬度影響，搭設該中央臨時支墩時需要將北京路靠中央側的空心板間翼板鑿除，再在此處施工支墩基礎及支墩。為提高支墩的強度，50鋼管內灌注砼，必要時增加十字肋。

1.2.2.1 支墩頂縱向貝雷梁施工

支墩頂縱向貝雷梁，安裝時采用地面組裝成片后，再吊裝的方式進行。縱向貝雷梁每兩片為一組，每組之間再使用斜撐架連接加固。因北京路跨度大，支墩頂縱向貝雷梁采用雙層構造，并增加加強弦桿，提高縱梁的抗彎性能及減少撓度。

整個貝雷梁安裝過程可以分為以下幾個步驟：

a、調整支墩標高

b、在地面拼裝貝雷梁，以支墩位置為標準，確定拼裝的長度。

c、在支墩頂安裝橫向貝雷梁，并固定好。

d、封閉既有橋，將檢查合格后順橋向貝雷梁分片吊裝到橫向支墩貝雷梁上。吊裝時，吊車布置在橋下位置（凈寬不夠的放置在二環路上），吊裝順序為先內側后兩邊。貝雷梁吊裝就位后，安裝密目防護網。endprint

1.2.2.2 二環路與設計橋梁重疊部分支架施工

高架橋路面的支架采用碗扣腳手架，并直接通過方木作用在橋面上。同時該部分碗扣

腳手架與貝雷梁頂腳手架連成一個體系。

1.2.2.3 上部支架系統施工

縱向貝雷梁頂鋪10 cm×10 cm方木，并搭設腳手架及模板系統。

1.2.3 地基排水

支架投影內設置3%左右的橫向排水坡在支架以外兩側各挖一條縱向水溝，在每跨跨中和橋墩處各挖一條橫向水溝，以預防地表水浸泡引起地基軟化。為防止雨季淹水造成支架基礎浸泡，老橋區易淹水地段支架及支墩基礎底鋪設防水材料，并在每跨四周澆注0.4 m寬0.6 m高砼圍堰。圍堰內設置集水井、抽水設備及時將積水排除。

1.3 現澆梁澆筑施工時沉降測點布置

本文選取昆明金星立交橋9#～10#墩現澆箱梁為分析研究對象，整個梁段縱向一排均勻布置9個測點，縱斷面一排測點布置見圖1。

1.4 現澆梁澆筑施工

本橋主線及匝道共有現澆梁59孔。為了加快施工進度，保證施工安全，減少工程投資，現澆箱梁施工時采用貝雷梁支撐和碗扣腳手架。需要中斷既有道路交通，占用二環路搭設支架。在施工到跨北京路及其他路口期間，需要占用北京路兩個車道進行施工。

現澆梁施工外模采用統一采用定型鋼模板，內模采用竹膠板。砼集中供應，使用汽車泵澆注。

2 有限元軟件ANSYS簡介

2.1 概述

ANSYS是目前世界最頂端的有限元商業應用程序之一，是融各領域分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發，它能與多CAD軟件接口，實現數據的共享和交換[5]。

2.2 主要技術特點

ANSYS程序是一個功能強大的設計分析及優化軟件包，其特點：（1）數據統一。ANSYS使用統一的數據庫來存儲模型數據及求解結果，實現前后處理、分析求解及多場分析的數據統一；（2）強大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS 的GU I（圖形界面）就可建立各種復雜的幾何模型；（3）強大的求解功能。ANSYS提供了數種求解器，用戶可以根據分析要求選擇合適的求解器；（4）強大的非線性分析功能。ANSYS具有強大的非線性分析功能，可進行幾何非線性、材料非線性及狀態非線性分析；（5）智能網格劃分。ANSYS具有智能網格劃分功能，根據模型的特點自動生成有限元網格；（6）良好的優化功能。（7） 良好的用戶開發環境。

2.3 ANSYS 軟件分析過程

ANSYS有前處理、求解計算和后處理三個部分。前處理主要是建立實體模型，進行網格

劃分；求解就是在模型建立后進行的分析計算過程；后處理是計算結果的提取。

2.3.1 前處理

雙擊實用菜單中的Preprocessor，進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自上向下與自下向上。自上向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型。無論使用自上向下還是自下向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數據集，從而雕塑出一個實體模型。再者，ANSYS程序提供了完整的布爾運算。在創建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除。自下向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質量的對CAD模型進行網格劃分的功能。包括4種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網格劃分可將一個二維網格延伸成一個三維網格。映像網格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網格控制，生成映像網格。ANSYS程序的自由網格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。自適應網格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析計算、估計網格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數。

2.3.2 求解

這里不再詳述ANSYS求解過程，這個過程是在建立模型時加載并選擇本構模型，程序會自動進行求解。

2.3.3 后處理

后處理階段是對前面的分析結果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結果（如位移）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如位移值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數值區（如位移范圍），清晰地反映了計算結果的區域分布情況。另外還可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結果，如節點位移、應力或支反力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結果。

3 模型建立及計算分析

3.1 模型的建立

本模型的建立并未對所有的現澆梁施工進行模擬，只是具有代表性的模擬了貝雷梁支撐下的現澆梁的施工。因為該工況下現澆梁施工時的沉降主要表現為貝雷梁的變形，即二者是同步變形的，所以我們通過建立本模型分析研究了該工況下貝雷梁在現澆梁自重的作用下的變形特性來反映現澆梁的沉降變形。本模型結合施工實際建立本模型，并模擬二次澆筑混凝土施工過程對貝雷梁的變形影響。現澆梁采用實體單元模擬；貝雷梁的作用就是將現澆混凝土產生的重力分散到現澆梁兩端的臨時支墩和中間中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩，此處將其簡化為平面應變單元；北京路兩側的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩均采用實體單元來模擬；縱向貝雷梁上部的支架系統將簡化為貝雷梁的附屬系統，隨貝雷梁的變形而變形。模擬選用主要參數見下表1，表2，表3：

在建立實際模型時，對模型進行了簡化處理。50鋼管柱和作為臨時支墩的貝雷梁簡化為實體支墩。根據施工圖紙和實際施工情況所建立的模型如圖2所示。

3.2 模型的分析計算

模型的分析計算結果云圖見圖3。

從模型的豎向變形云圖來看，兩個臨時支墩和鋼管柱處的變形很小，臨時支墩和鋼管柱之間接近跨中的部位變形較大，接近一公分。這個結果在現澆梁上云圖上更為明顯，見圖4。

3.3 對比分析

將有限元模型計算的結果與我們在實際施工時的的實測資料進行對比分析，對比關系見圖5。

從上面的對比分析圖可以看出，數值模擬值和實測值較好的擬合，雖然有些地方相差較大，也是由于實測時估讀造成的。

4 結語

通過以上的模擬分析計算，我們可以得出以下結論：

（1）我們可以應用有限元軟件來預測分析現澆梁施工時的沉降變形，在施工之前做到心中有“數”，從而指導施工。

（2）從上面的分析可知，中間的鋼管柱對現澆梁的沉降變形起到了很大的作用。因而，現澆梁跨度較大時，為了更好地控制現澆梁的沉降變形，我們可以通過加設鋼管柱可以有效地控制變形。

（3）從實測數據與數值模擬計算的結果對比分析可知，采用貝雷梁施工，現澆梁沉降變形具有連續性，即臨時支墩和鋼管柱處較小，隨著離支點距離的增加，變形也在增加。

參考文獻

[1] 葉青.淺析繞越高速中現澆預應力箱梁的沉降觀測施工控制[J].市場周刊（理論研究），2009（11）.

[2] 劉銳浩.軟土地基現澆連續箱梁滿堂紅支架預壓施工[J].鐵道標準設計，2003（10）.

[3] 宮元生.輕軌連續箱梁沉降觀測及控制技術[J].石家莊鐵路職業技術學報，2006，5（2）.

[4] 陳光乾.淺談現澆鋼筋混凝土連續箱梁沉降觀測[J].科技資訊，2007（29）.

[5] 高興軍，趙恒華.大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介[J].遼寧石油化工大學學報，2004，24（3）.endprint

1.2.2.2 二環路與設計橋梁重疊部分支架施工

高架橋路面的支架采用碗扣腳手架，并直接通過方木作用在橋面上。同時該部分碗扣

腳手架與貝雷梁頂腳手架連成一個體系。

1.2.2.3 上部支架系統施工

縱向貝雷梁頂鋪10 cm×10 cm方木，并搭設腳手架及模板系統。

1.2.3 地基排水

支架投影內設置3%左右的橫向排水坡在支架以外兩側各挖一條縱向水溝，在每跨跨中和橋墩處各挖一條橫向水溝，以預防地表水浸泡引起地基軟化。為防止雨季淹水造成支架基礎浸泡，老橋區易淹水地段支架及支墩基礎底鋪設防水材料，并在每跨四周澆注0.4 m寬0.6 m高砼圍堰。圍堰內設置集水井、抽水設備及時將積水排除。

1.3 現澆梁澆筑施工時沉降測點布置

本文選取昆明金星立交橋9#～10#墩現澆箱梁為分析研究對象，整個梁段縱向一排均勻布置9個測點，縱斷面一排測點布置見圖1。

1.4 現澆梁澆筑施工

本橋主線及匝道共有現澆梁59孔。為了加快施工進度，保證施工安全，減少工程投資，現澆箱梁施工時采用貝雷梁支撐和碗扣腳手架。需要中斷既有道路交通，占用二環路搭設支架。在施工到跨北京路及其他路口期間，需要占用北京路兩個車道進行施工。

現澆梁施工外模采用統一采用定型鋼模板，內模采用竹膠板。砼集中供應，使用汽車泵澆注。

2 有限元軟件ANSYS簡介

2.1 概述

ANSYS是目前世界最頂端的有限元商業應用程序之一，是融各領域分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發，它能與多CAD軟件接口，實現數據的共享和交換[5]。

2.2 主要技術特點

ANSYS程序是一個功能強大的設計分析及優化軟件包，其特點：（1）數據統一。ANSYS使用統一的數據庫來存儲模型數據及求解結果，實現前后處理、分析求解及多場分析的數據統一；（2）強大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS 的GU I（圖形界面）就可建立各種復雜的幾何模型；（3）強大的求解功能。ANSYS提供了數種求解器，用戶可以根據分析要求選擇合適的求解器；（4）強大的非線性分析功能。ANSYS具有強大的非線性分析功能，可進行幾何非線性、材料非線性及狀態非線性分析；（5）智能網格劃分。ANSYS具有智能網格劃分功能，根據模型的特點自動生成有限元網格；（6）良好的優化功能。（7） 良好的用戶開發環境。

2.3 ANSYS 軟件分析過程

ANSYS有前處理、求解計算和后處理三個部分。前處理主要是建立實體模型，進行網格

劃分；求解就是在模型建立后進行的分析計算過程；后處理是計算結果的提取。

2.3.1 前處理

雙擊實用菜單中的Preprocessor，進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自上向下與自下向上。自上向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型。無論使用自上向下還是自下向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數據集，從而雕塑出一個實體模型。再者，ANSYS程序提供了完整的布爾運算。在創建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除。自下向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質量的對CAD模型進行網格劃分的功能。包括4種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網格劃分可將一個二維網格延伸成一個三維網格。映像網格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網格控制，生成映像網格。ANSYS程序的自由網格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。自適應網格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析計算、估計網格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數。

2.3.2 求解

這里不再詳述ANSYS求解過程，這個過程是在建立模型時加載并選擇本構模型，程序會自動進行求解。

2.3.3 后處理

后處理階段是對前面的分析結果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結果（如位移）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如位移值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數值區（如位移范圍），清晰地反映了計算結果的區域分布情況。另外還可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結果，如節點位移、應力或支反力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結果。

3 模型建立及計算分析

3.1 模型的建立

本模型的建立并未對所有的現澆梁施工進行模擬，只是具有代表性的模擬了貝雷梁支撐下的現澆梁的施工。因為該工況下現澆梁施工時的沉降主要表現為貝雷梁的變形，即二者是同步變形的，所以我們通過建立本模型分析研究了該工況下貝雷梁在現澆梁自重的作用下的變形特性來反映現澆梁的沉降變形。本模型結合施工實際建立本模型，并模擬二次澆筑混凝土施工過程對貝雷梁的變形影響。現澆梁采用實體單元模擬；貝雷梁的作用就是將現澆混凝土產生的重力分散到現澆梁兩端的臨時支墩和中間中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩，此處將其簡化為平面應變單元；北京路兩側的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩均采用實體單元來模擬；縱向貝雷梁上部的支架系統將簡化為貝雷梁的附屬系統，隨貝雷梁的變形而變形。模擬選用主要參數見下表1，表2，表3：

在建立實際模型時，對模型進行了簡化處理。50鋼管柱和作為臨時支墩的貝雷梁簡化為實體支墩。根據施工圖紙和實際施工情況所建立的模型如圖2所示。

3.2 模型的分析計算

模型的分析計算結果云圖見圖3。

從模型的豎向變形云圖來看，兩個臨時支墩和鋼管柱處的變形很小，臨時支墩和鋼管柱之間接近跨中的部位變形較大，接近一公分。這個結果在現澆梁上云圖上更為明顯，見圖4。

3.3 對比分析

將有限元模型計算的結果與我們在實際施工時的的實測資料進行對比分析，對比關系見圖5。

從上面的對比分析圖可以看出，數值模擬值和實測值較好的擬合，雖然有些地方相差較大，也是由于實測時估讀造成的。

4 結語

通過以上的模擬分析計算，我們可以得出以下結論：

（1）我們可以應用有限元軟件來預測分析現澆梁施工時的沉降變形，在施工之前做到心中有“數”，從而指導施工。

（2）從上面的分析可知，中間的鋼管柱對現澆梁的沉降變形起到了很大的作用。因而，現澆梁跨度較大時，為了更好地控制現澆梁的沉降變形，我們可以通過加設鋼管柱可以有效地控制變形。

（3）從實測數據與數值模擬計算的結果對比分析可知，采用貝雷梁施工，現澆梁沉降變形具有連續性，即臨時支墩和鋼管柱處較小，隨著離支點距離的增加，變形也在增加。

參考文獻

[1] 葉青.淺析繞越高速中現澆預應力箱梁的沉降觀測施工控制[J].市場周刊（理論研究），2009（11）.

[2] 劉銳浩.軟土地基現澆連續箱梁滿堂紅支架預壓施工[J].鐵道標準設計，2003（10）.

[3] 宮元生.輕軌連續箱梁沉降觀測及控制技術[J].石家莊鐵路職業技術學報，2006，5（2）.

[4] 陳光乾.淺談現澆鋼筋混凝土連續箱梁沉降觀測[J].科技資訊，2007（29）.

[5] 高興軍，趙恒華.大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介[J].遼寧石油化工大學學報，2004，24（3）.endprint

1.2.2.2 二環路與設計橋梁重疊部分支架施工

高架橋路面的支架采用碗扣腳手架，并直接通過方木作用在橋面上。同時該部分碗扣

腳手架與貝雷梁頂腳手架連成一個體系。

1.2.2.3 上部支架系統施工

縱向貝雷梁頂鋪10 cm×10 cm方木，并搭設腳手架及模板系統。

1.2.3 地基排水

支架投影內設置3%左右的橫向排水坡在支架以外兩側各挖一條縱向水溝，在每跨跨中和橋墩處各挖一條橫向水溝，以預防地表水浸泡引起地基軟化。為防止雨季淹水造成支架基礎浸泡，老橋區易淹水地段支架及支墩基礎底鋪設防水材料，并在每跨四周澆注0.4 m寬0.6 m高砼圍堰。圍堰內設置集水井、抽水設備及時將積水排除。

1.3 現澆梁澆筑施工時沉降測點布置

本文選取昆明金星立交橋9#～10#墩現澆箱梁為分析研究對象，整個梁段縱向一排均勻布置9個測點，縱斷面一排測點布置見圖1。

1.4 現澆梁澆筑施工

本橋主線及匝道共有現澆梁59孔。為了加快施工進度，保證施工安全，減少工程投資，現澆箱梁施工時采用貝雷梁支撐和碗扣腳手架。需要中斷既有道路交通，占用二環路搭設支架。在施工到跨北京路及其他路口期間，需要占用北京路兩個車道進行施工。

現澆梁施工外模采用統一采用定型鋼模板，內模采用竹膠板。砼集中供應，使用汽車泵澆注。

2 有限元軟件ANSYS簡介

2.1 概述

ANSYS是目前世界最頂端的有限元商業應用程序之一，是融各領域分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發，它能與多CAD軟件接口，實現數據的共享和交換[5]。

2.2 主要技術特點

ANSYS程序是一個功能強大的設計分析及優化軟件包，其特點：（1）數據統一。ANSYS使用統一的數據庫來存儲模型數據及求解結果，實現前后處理、分析求解及多場分析的數據統一；（2）強大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS 的GU I（圖形界面）就可建立各種復雜的幾何模型；（3）強大的求解功能。ANSYS提供了數種求解器，用戶可以根據分析要求選擇合適的求解器；（4）強大的非線性分析功能。ANSYS具有強大的非線性分析功能，可進行幾何非線性、材料非線性及狀態非線性分析；（5）智能網格劃分。ANSYS具有智能網格劃分功能，根據模型的特點自動生成有限元網格；（6）良好的優化功能。（7） 良好的用戶開發環境。

2.3 ANSYS 軟件分析過程

ANSYS有前處理、求解計算和后處理三個部分。前處理主要是建立實體模型，進行網格

劃分；求解就是在模型建立后進行的分析計算過程；后處理是計算結果的提取。

2.3.1 前處理

雙擊實用菜單中的Preprocessor，進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自上向下與自下向上。自上向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型。無論使用自上向下還是自下向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數據集，從而雕塑出一個實體模型。再者，ANSYS程序提供了完整的布爾運算。在創建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除。自下向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質量的對CAD模型進行網格劃分的功能。包括4種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網格劃分可將一個二維網格延伸成一個三維網格。映像網格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網格控制，生成映像網格。ANSYS程序的自由網格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。自適應網格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析計算、估計網格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數。

2.3.2 求解

這里不再詳述ANSYS求解過程，這個過程是在建立模型時加載并選擇本構模型，程序會自動進行求解。

2.3.3 后處理

后處理階段是對前面的分析結果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結果（如位移）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如位移值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數值區（如位移范圍），清晰地反映了計算結果的區域分布情況。另外還可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結果，如節點位移、應力或支反力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結果。

3 模型建立及計算分析

3.1 模型的建立

本模型的建立并未對所有的現澆梁施工進行模擬，只是具有代表性的模擬了貝雷梁支撐下的現澆梁的施工。因為該工況下現澆梁施工時的沉降主要表現為貝雷梁的變形，即二者是同步變形的，所以我們通過建立本模型分析研究了該工況下貝雷梁在現澆梁自重的作用下的變形特性來反映現澆梁的沉降變形。本模型結合施工實際建立本模型，并模擬二次澆筑混凝土施工過程對貝雷梁的變形影響。現澆梁采用實體單元模擬；貝雷梁的作用就是將現澆混凝土產生的重力分散到現澆梁兩端的臨時支墩和中間中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩，此處將其簡化為平面應變單元；北京路兩側的貝雷梁支墩和北京路中間直徑50 cm鋼管柱臨時支墩均采用實體單元來模擬；縱向貝雷梁上部的支架系統將簡化為貝雷梁的附屬系統，隨貝雷梁的變形而變形。模擬選用主要參數見下表1，表2，表3：

在建立實際模型時，對模型進行了簡化處理。50鋼管柱和作為臨時支墩的貝雷梁簡化為實體支墩。根據施工圖紙和實際施工情況所建立的模型如圖2所示。

3.2 模型的分析計算

模型的分析計算結果云圖見圖3。

從模型的豎向變形云圖來看，兩個臨時支墩和鋼管柱處的變形很小，臨時支墩和鋼管柱之間接近跨中的部位變形較大，接近一公分。這個結果在現澆梁上云圖上更為明顯，見圖4。

3.3 對比分析

將有限元模型計算的結果與我們在實際施工時的的實測資料進行對比分析，對比關系見圖5。

從上面的對比分析圖可以看出，數值模擬值和實測值較好的擬合，雖然有些地方相差較大，也是由于實測時估讀造成的。

4 結語

通過以上的模擬分析計算，我們可以得出以下結論：

（1）我們可以應用有限元軟件來預測分析現澆梁施工時的沉降變形，在施工之前做到心中有“數”，從而指導施工。

（2）從上面的分析可知，中間的鋼管柱對現澆梁的沉降變形起到了很大的作用。因而，現澆梁跨度較大時，為了更好地控制現澆梁的沉降變形，我們可以通過加設鋼管柱可以有效地控制變形。

（3）從實測數據與數值模擬計算的結果對比分析可知，采用貝雷梁施工，現澆梁沉降變形具有連續性，即臨時支墩和鋼管柱處較小，隨著離支點距離的增加，變形也在增加。

參考文獻

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