ANSYS軟件在現(xiàn)澆梁支架模擬計(jì)算中的應(yīng)用

許自剛

(中鐵十八局第五工程有限公司，天津300450)

武咸城際鐵路位于湖北省南部，北連“九省通衢”武漢，南接鄂南著名的生態(tài)城市咸寧。其中由中鐵十八局負(fù)責(zé)施工的DK0+000-DK15+376及其聯(lián)絡(luò)線位于武漢市區(qū)附近，設(shè)計(jì)有為數(shù)眾多、形式多樣的現(xiàn)澆梁，現(xiàn)澆梁施工為全線施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文對上行聯(lián)絡(luò)線特大橋跨南環(huán)鐵路現(xiàn)澆梁復(fù)雜支架方案采用ANSYS軟件模擬分析的過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

1 支架設(shè)計(jì)方案

武咸城際鐵路上行聯(lián)絡(luò)線特大橋19#～21#墩采用2×32 m連續(xù)箱梁方式跨越南環(huán)鐵路，上行線和下行線與南環(huán)鐵路的夾角為25.9°，線路基本與南環(huán)鐵路并行，南環(huán)鐵路為Ⅰ級干線鐵路，列車行駛速度120 km/h，日客車通行對數(shù)為25對，接觸網(wǎng)電壓27.5 kV。施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)極大。通過多次優(yōu)化比選，最終選取現(xiàn)澆梁支架方案布置如圖1所示。

圖1 跨南環(huán)鐵路19#-21#墩現(xiàn)澆梁支架平面布置(單位：cm)

1.1 支架布置

上行聯(lián)絡(luò)線特大橋跨南環(huán)鐵路連續(xù)梁采用鋼管貝雷梁支架法整體現(xiàn)澆施工，平行于南環(huán)鐵路兩側(cè)各設(shè)置兩排鋼管立柱，其布置間距詳見圖1。鋼管立柱采用直徑為63 cm，壁厚10 mm的空心鋼管。鋼管立柱之間焊接[14 a槽鋼作為剪刀撐進(jìn)行連接。除承臺位置處的鋼管立柱底部不設(shè)置樁基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)之外，其余部分均設(shè)置直徑1.6 m，壁厚30 cm的人工挖孔樁基礎(chǔ)及大小為1.5(寬)×1m(高)鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)施工方案設(shè)計(jì)圖在承臺、條形基礎(chǔ)相對應(yīng)鋼管立柱的位置預(yù)埋帶錨固螺栓的鋼板，鋼管立柱通過高強(qiáng)螺栓與條形基礎(chǔ)、承臺進(jìn)行錨固連接。其頂部采用兩根I56 a工字鋼做縱梁，并在縱梁兩側(cè)焊接[14 a槽鋼作為八字撐與鋼管立柱頂鋼板錨固連接。橫梁采用上下加強(qiáng)型貝雷片，每兩排一組，間距為22.5 cm、45 cm兩種形式，貝雷梁布置方向與箱梁軸線基本相垂直，并按實(shí)際情況根據(jù)角度進(jìn)行調(diào)整，但間距不得大于45 cm。貝雷梁頂部滿鋪6 mm厚鋼板進(jìn)行安全防護(hù)，防護(hù)材料頂部依次為I16 a工字鋼、碗扣支架、15 cm×15 cm方木、10 cm×10 cm方木、定型鋼模板。支架布置如圖2所示。

圖2 跨南環(huán)鐵路19#～21#墩現(xiàn)澆梁支架縱斷面及橫斷面布置

1.2 方案的特點(diǎn)

(1)墩高、梁體積大，墩身最大高度為23.5 m，現(xiàn)澆梁為2孔1聯(lián)同步進(jìn)行澆筑，混凝土量達(dá)到425 m3。

(2)小曲線彎梁。連續(xù)梁體為彎梁，從門式墩的右側(cè)直接過渡到門式墩的左側(cè)，曲線半徑為600 m。

(3)為滿足跨越南環(huán)鐵路的需要，橫向貝雷梁跨度較大，凈跨為18.5 m。橫向門架受力情況復(fù)雜，受力位置不斷變化。

(4)由于跨越鐵路加之與鐵路夾角較小，情況復(fù)雜，鋼管和貝雷梁等材料用量較大，墩高相同時(shí)，相當(dāng)于普通墩梁式現(xiàn)澆支架材料用量的4倍。

2 用ANSYS軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)整體受力

計(jì)算采用容許應(yīng)力法，用ANSYS軟件并結(jié)合理論公式手工計(jì)算。

2.1 模型建立

從圖1所示的平面布置圖可知，貝雷梁的受力很復(fù)雜，為了精確計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的受力情況，建立三維空間模型，圖3為用ANSYS建立的整體模型圖。

模型中混凝土梁用SOLID45單元模擬，為了模擬其流動(dòng)性，選用很小的彈性模量；模板用SHELL63單元模擬，厚度6 mm；其他桿件均用BEAM188和BEAM189模擬。結(jié)構(gòu)受到的荷載主要是結(jié)構(gòu)(鋼管立柱、縱梁、貝雷梁、下縱向方木、碗扣支架、橫向分配梁、上縱向方木、內(nèi)外側(cè)模板及其模板支架、底模板)及混凝土自重，其他施工荷載近似按混凝土自重的10 %考慮。

圖3 現(xiàn)澆梁支架模型

2.2 荷載計(jì)算

整個(gè)結(jié)構(gòu)受到的荷載包括：

(1)混凝土箱梁的濕重，混凝土密度取26 kN/m3。混凝土箱梁用SOLID45單元模擬，其濕重程序自動(dòng)計(jì)入。流動(dòng)混凝土對側(cè)模的壓力考慮方法：將模擬混凝土的單元材料參數(shù)中的彈性模量降低1 000倍，相當(dāng)于混凝土沒有剛度，則側(cè)壓力自動(dòng)計(jì)入；

(2)施工荷載，包括施工人員及機(jī)具重量、傾倒、振搗荷載等，按5 kN/ m2考慮，在建立箱梁模型時(shí)，截面有所加大以考慮該部分荷載；

(3)鋼模板重量：單線32.7 m單孔模板兩側(cè)模重39.5 t，底模8.5 t，內(nèi)模為11 t,共重59 t，則按18.1 kN/m，此部分由SHELL63單元和BEAM188單元模擬。其中SHELL63模擬面板，取6 mm厚，BEAM188模擬模板縱橫肋和模板支撐桿件，重量由程序自動(dòng)計(jì)入；

(4)方木容重為7.5 kN/m3，用BEAM188單元模擬，程序自動(dòng)計(jì)入其重量；

(5)碗扣支架、縱橫型鋼、鋼管柱及貝雷梁的重量用BEAM188單元模擬，程序自動(dòng)計(jì)入其重量；

(6)因?yàn)榱熊嚂r(shí)速較小，不計(jì)列車高速運(yùn)行引起的氣動(dòng)力；

(7)按照《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2003]13號)中的有關(guān)條文規(guī)定，對于列車時(shí)速小于160 km/h的情況，可以不考慮氣動(dòng)力的影響。查武漢地區(qū)風(fēng)壓，按10年一遇考慮，橫向風(fēng)荷載按0.25 kPa的風(fēng)壓計(jì)算。注意在拆裝結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)布置纜風(fēng)繩或其他防傾倒措施，以保證安全。

2.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見圖4和表1。

圖4 現(xiàn)澆梁支架整體位移

經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)的總體豎向位移最大發(fā)生在靠近20#墩的貝雷梁跨中，最大為27.8 mm(如圖4所示)，支架整體變形符合規(guī)范要求。

表1 現(xiàn)澆梁支架檢算結(jié)果

3 ANSYS軟件模擬現(xiàn)澆梁支架檢算的優(yōu)越性

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)快捷

可以隨時(shí)修改結(jié)構(gòu)組中同類型結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)，通過檢算結(jié)果達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的，從而確保結(jié)構(gòu)的安全性和成本的可控性，防止不必要的浪費(fèi)。

3.2 復(fù)雜的問題簡單化

改變傳統(tǒng)的手算速度慢、計(jì)算結(jié)構(gòu)單一化情況，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體性軟件計(jì)算顯得尤為突出。

3.3 計(jì)算的權(quán)威性和全面性

軟件整體建模不遺漏細(xì)節(jié)部分，針對于計(jì)算不合格的部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或更換，從而確保支架整體和細(xì)節(jié)的安全性。

4 結(jié)束語

目前武咸城際鐵路主體已經(jīng)施工完成，武咸城際鐵路線路長、現(xiàn)澆梁數(shù)量及類型多、施工工藝復(fù)雜，本文通過ANSYS軟件對武咸城際鐵路跨南環(huán)鐵路復(fù)雜現(xiàn)澆梁支架方案進(jìn)行模擬計(jì)算、綜合分析，從而達(dá)到支架安全、方案優(yōu)化、高效快捷，同時(shí)為節(jié)約成本提供了可靠的保證。

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