湖濱東路跨線橋頂升工程施工監(jiān)控有限元分析

白應(yīng)華， 孫振笏， 熊　陽

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

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湖濱東路跨線橋頂升工程施工監(jiān)控有限元分析

白應(yīng)華， 孫振笏， 熊陽

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

[摘要]采用Midas/Civil軟件建立廈門市湖濱東路跨線橋有限元計(jì)算模型，對(duì)橋梁頂升工程施工過程中梁體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。橋梁需要進(jìn)行全聯(lián)頂升一定高度后與新建橋梁連接。由于橋梁線形為復(fù)雜的平縱組合曲線，所以運(yùn)用了三維投影定位技術(shù)精確建模，同時(shí)采用子模型技術(shù)獲得局部應(yīng)力分布。分析了三種狀態(tài)下梁體的應(yīng)力分布，證明了梁體在三種狀態(tài)下具有較大的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。在頂升施工過程中可以保持安全狀態(tài)。

[關(guān)鍵詞]頂升施工； 三維投影定位； 子模型； 有限元分析； 組合曲線

在我國大量運(yùn)營的橋梁中，由于地質(zhì)沉降、路線改造等因素使得橋梁的使用功能不能正常滿足，造成安全隱患，而橋梁重建施工周期長，費(fèi)用高，對(duì)原本交通影響大[1]，因此舊橋的改造與利用變得日益重要。頂升技術(shù)作為舊橋改造的一個(gè)重要方法，已經(jīng)開始得到了廣泛的使用[2]。但是已有工程主要針對(duì)并非連續(xù)彎橋梁，而湖濱東路跨線橋頂升工程作為廈門市仙岳路改造工程的一個(gè)部分，在國內(nèi)是將頂升技術(shù)首次應(yīng)用于連續(xù)彎梁橋。所以對(duì)橋梁頂升施工梁的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，從而為工程實(shí)踐提供合理有效的參考依據(jù)和保障。

1工程概況

湖濱東路跨線橋是廈門市仙岳路改造工程的一部分。仙岳路主線采用全高架橋梁形式，經(jīng)改造將現(xiàn)有的三座跨線橋通過高架連成整體，并往海滄大橋方向適當(dāng)延長。按設(shè)計(jì)要求，湖濱東路跨線橋、蓮岳路跨線橋和福廈路跨線橋需要進(jìn)行頂升升高，順接新建橋梁。頂升橋梁施工在國內(nèi)尚屬首次。

湖濱東路跨線橋起于K0+161.840，止于K0+846.840，全長685 m，孔跨布置為2×(4×35)+(35+42+35)+3×36+(35+45+35)+2×35，共六聯(lián)，采用等高度連續(xù)箱梁。本次頂升范圍為第一聯(lián)4×35連續(xù)混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁(圖1)，此聯(lián)跨線橋的軸線線形在整個(gè)工程中最復(fù)雜，為平縱組合曲線。

圖 1　湖濱東路第一聯(lián)頂升連續(xù)梁立面圖

2有限元計(jì)算模型

橋梁施工監(jiān)控的第一項(xiàng)工作就是對(duì)所監(jiān)控的橋梁進(jìn)行內(nèi)力、位移等計(jì)算，以保證橋梁施工工藝[3]的科學(xué)性。采用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，把整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分成若干單元，以便取得較好的計(jì)算精度。

仙岳路跨線橋梁頂升分析采用有限元程序Midas/Civil進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)竣工圖紙并結(jié)合實(shí)際頂升施工方案，進(jìn)行了橋梁成橋狀態(tài)計(jì)算和對(duì)應(yīng)頂升的控制工況計(jì)算。

2.1材料參數(shù)

箱梁采用C50混凝土，按照規(guī)范和設(shè)計(jì)文件取值如下：抗壓彈性模量E=3.45×104MPa；剪切彈性模量G=1.42×104MPa；容重γ=26 kN/m3；泊松比vc=0.2；線膨脹系數(shù)K=0.00001；軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32.4 MPa；軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.64 MPa；軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=23.1 MPa；軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.89 MPa。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線：極限抗拉強(qiáng)度Rby=1860 MPa；張拉控制應(yīng)力0.75Rby=1395 MPa；預(yù)應(yīng)力鋼束與管道的摩阻系數(shù)μ=0.3；預(yù)應(yīng)力管道的偏差系數(shù)k=0.0015；彈性模量E=1.95×105MPa；端錨具變形及鋼束回縮值6 mm。預(yù)應(yīng)力鋼束面積：全橋預(yù)應(yīng)力分兩端張拉和一端張拉兩種，兩端張拉預(yù)應(yīng)力鋼束面積為1860 mm2，一端張拉預(yù)應(yīng)力鋼束面積為1260 mm2。

2.2有限單元選取

模擬橋梁結(jié)構(gòu)的方法常用平面桿系模擬和三維實(shí)體模擬。對(duì)于一般的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，頂升施工中宏觀上結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為基本能滿足均質(zhì)、彈性的假定，同時(shí)從結(jié)構(gòu)在施工及運(yùn)營過程中受作用的特征來看，結(jié)構(gòu)的平面特性較為突出[4]，因此將梁橋的主梁離散成桿系單元，利用有限元軟件進(jìn)行模擬是可行的。工程實(shí)踐證明：在線形控制和總體計(jì)算中，平面桿系分析可以滿足工程要求。但在結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力分布分析時(shí)，為了反應(yīng)在復(fù)雜荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律，建立空間的實(shí)體模型是必要的。在本文中，為了得到梁體關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布，運(yùn)用了子模型技術(shù)。

根據(jù)頂升工程的實(shí)際情況及需求，僅對(duì)主梁進(jìn)行建模計(jì)算。由于此聯(lián)連續(xù)梁位于路線的平縱線形組合處，如采用常規(guī)方法定位單元及預(yù)應(yīng)力索較為困難，本次計(jì)算采用了空間投影定位技術(shù)對(duì)單元及預(yù)應(yīng)力索做了精確定位。主梁采用梁單元模擬，依據(jù)設(shè)計(jì)截面尺寸建模，以1 m為單位劃分單元，將4×35 m的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)離散為140個(gè)單元。Midas/Civil計(jì)算模型見圖2~圖4。

圖 2　橋梁模型平面圖

圖 3　橋梁模型立面圖

圖 4　橋梁模型側(cè)面圖

圖 5　橋梁預(yù)應(yīng)力鋼束圖

2.3邊界條件

在頂升前及處于頂升到位后落梁狀態(tài)下，橋梁為四跨連續(xù)梁橋。在頂升過程中橋墩兩側(cè)的千斤頂將橋梁整體頂起，使其脫落于各墩的支座(在各頂升工況中為各墩頂上的支撐點(diǎn))，此時(shí)橋梁邊界條件發(fā)生改變，相當(dāng)于七跨連續(xù)梁橋。頂升前后的各狀態(tài)中，橋梁體系明確，計(jì)算模型按照橋梁實(shí)際狀態(tài)下的邊界條件進(jìn)行模擬。

2.4計(jì)算荷載

在頂升過程中，橋梁上沒有作用可變荷載，只產(chǎn)生邊界條件的變化和整體線形的變化，模擬頂升施工過程即在各頂升步驟中對(duì)其邊界條件及對(duì)各墩頂實(shí)施強(qiáng)迫位移的模擬。所以，在頂升過程中只有永久荷載及強(qiáng)迫位移荷載。

永久荷載為主梁的重量，主梁按實(shí)際截面計(jì)算重量，其容重取26 kN/m3。

墩臺(tái)豎向強(qiáng)迫位移的施加：分別對(duì)H0、H1、H2三個(gè)相鄰墩臺(tái)施加1 cm的強(qiáng)迫位移；通過支座沉降組合分析，計(jì)算橋梁五個(gè)墩臺(tái)(H0-H4)發(fā)生1 cm的豎向強(qiáng)迫位移時(shí)產(chǎn)生的最不利影響。

2.5頂升步驟

設(shè)計(jì)方案將頂升過程分為4個(gè)階段進(jìn)行[5]：前三個(gè)階段將橋梁整體提升239mm，隨后保持最高墩H4的高度不變，以其為轉(zhuǎn)動(dòng)軸圓心，將整座橋梁旋轉(zhuǎn)，抬起最低的橋臺(tái)H0直至達(dá)到設(shè)計(jì)頂升位置，最后整體降落一定高度實(shí)現(xiàn)落梁。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1成橋空載狀態(tài)下主梁的內(nèi)力與應(yīng)力

成橋空載為頂升前梁體的狀態(tài)，得到在這個(gè)狀態(tài)下梁體的內(nèi)力及應(yīng)力分布對(duì)于后續(xù)頂升施工過程的操作及控制非常重要，經(jīng)過有限元計(jì)算后可知，在橋上沒有可變荷載的狀態(tài)下，主梁全截面受壓，主梁頂板最大壓應(yīng)力為6.92 MPa，主梁底板最大壓應(yīng)力為6.27 MPa，說明梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備基本沒有損失，只要對(duì)梁體頂升過程嚴(yán)格控制，可以順利完成梁體頂升工作。成橋空載狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果云圖見圖6~圖8。

圖 6　成橋狀態(tài)下主梁彎矩圖

圖 7　成橋狀態(tài)下主梁頂板外側(cè)應(yīng)力圖

圖 8　成橋狀態(tài)下主梁底板外側(cè)應(yīng)力圖

3.2頂升到設(shè)計(jì)位置后主梁的內(nèi)力與應(yīng)力

橋梁頂升至設(shè)計(jì)位置后，橋梁線型發(fā)生了微小變化，主梁頂板最大壓應(yīng)力為7.37 MPa，主梁底板最大壓應(yīng)力為6.71 MPa。相比頂升前的狀態(tài)，主梁應(yīng)力分布產(chǎn)生了一定的變化，但變化程度并不大，梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備沒有損失，說明頂升后的狀態(tài)是能夠滿足設(shè)計(jì)承載能力要求的，橋梁頂升到設(shè)計(jì)位置后主梁的內(nèi)力與應(yīng)力云圖見圖9~圖11。

圖 9　頂升到設(shè)計(jì)位置后主梁彎矩圖

圖10　頂升到設(shè)計(jì)位置后主梁頂板外側(cè)應(yīng)力圖

圖11　頂升到設(shè)計(jì)位置后主梁底板外側(cè)應(yīng)力圖

3.3考慮支座沉降最不利組合情況主梁的內(nèi)力與應(yīng)力

在頂升過程中，可能會(huì)出現(xiàn)不同步頂升的情況，在有限元計(jì)算中可以等效為支座的不均勻沉降，如果在考慮支座沉降最不利組合情況下尚能滿足主梁的變形與應(yīng)力分布在容許的范圍之內(nèi)，則頂升施工的可靠性是非常高的。

考慮橋梁各墩臺(tái)(H0-H5)發(fā)生1 cm的豎向強(qiáng)迫位移時(shí)產(chǎn)生的最不利影響，對(duì)主梁最大能產(chǎn)生1.26 MPa的拉應(yīng)力，產(chǎn)生影響最大的位置集中在支座附近的梁體，與預(yù)應(yīng)力相互疊加后發(fā)現(xiàn)主梁上并未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力尚有一定的儲(chǔ)備，說明頂升施工在最不利情況下仍然能夠保證梁體安全。

4結(jié)論

橋梁軸線處于路線的平縱線形組合的位置，為了真實(shí)地模擬橋梁和鋼束的線形及超高加寬，采用了三維投影定位技術(shù)，精確地建立了有限元模型。在橋上沒有可變荷載的狀態(tài)下，主梁全截面受壓，主梁頂板最大壓應(yīng)力為6.92 MPa，主梁底板最大壓應(yīng)力為6.27 MPa。經(jīng)過頂升調(diào)整了橋梁線型后，主梁應(yīng)力發(fā)生了一定的變化，但仍處于全截面受壓。在頂升過程中，考慮相鄰的三個(gè)墩臺(tái)各自發(fā)生1 cm的強(qiáng)迫位移，以及各墩臺(tái)發(fā)生1 cm強(qiáng)迫位移時(shí)的最不利組合，對(duì)主梁產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為1.26 MPa，由于此前主梁有一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，故在此情況下仍處于安全狀態(tài)。

[參考文獻(xiàn)]

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Finite Element Analysis of Lift-up Construction Monitoring for Hubin East Road Flyover of Xiamen City

BAI Yinghua，SUN Zhenhu，XIONG Yang

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：Midas/Civil software was adopted to establish the finite element calculating model for Hubin East Road Flyover of Xiamen City, implementing Finite Element Analysis for the stress state of beam in lift-up construction. The flyover would connect with a new bridge after it was lifted up to a certain height. In light of the location complexity for the flyover with combination curve, the 3D projection location was used to build the model precisely. Furthermore, the sub-model technique was applied to obtain the local stress distribution. In this article, the stress distribution was analyzed under three states, which could prove that the girder reserved some compressive stress and could remain safe during the lift-up construction.

Keywords：lift-up construction；3D projection location；sub-model；finite element analysis；combination curve

[中圖分類號(hào)]TU746.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)01-0101-03

[作者簡介]白應(yīng)華(1975-)， 男， 湖北應(yīng)城人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)闃蛄号c結(jié)構(gòu)工程

[收稿日期]2015-04-24