金水河大橋施工階段仿真分析模擬

付應兵

（武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢　430070）

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金水河大橋施工階段仿真分析模擬

付應兵

（武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430070）

摘要：采用全橋組合有限元分析思想，數值模擬分析了金水河三跨預應力混凝土連續箱梁橋的施工過程，并根據施工階段仿真分析結果，對橋梁的應力、位移和施工預拱度進行了研究，為該橋的施工控制提供了參考依據。

關鍵詞：組合有限元，懸臂施工，收縮徐變，施工預拱度

0　引言

近些年來，隨著科學技術的提升，預應力混凝土連續梁橋以其施工簡便、構造經濟、受力合理、行車舒適、變形小和抗震能力好等獨特優勢經常受到橋梁設計者的青睞。而在實際工程中，大跨度預應力混凝土連續梁橋通常采用懸臂澆筑法施工，其施工過程一般是劃分為許多個施工階段來完成的，而在這些施工階段中，每一施工階段不僅會伴隨著重力及施工荷載、預應力荷載的變化，還會伴隨著收縮徐變、邊界體系的轉變、溫度的改變等外部因素的影響。

此外，由于預應力混凝土連續梁屬于多次超靜定結構，恒載內力狀態具有多樣性，結構狀態呈非線性，施工過程與成橋狀態具有相關性，特別是在施工階段結構體系的不斷轉換，必然給橋梁結構帶來較復雜的內力和位移變化。因此，在給定的施工方案和設計參數條件下，必須采用合理的理論分析和計算模型來配合施工監控，確定結構在每一施工階段的受力和線性變化與理想值的差別，并實時的在下一施工階段進行調整，使其最終的成橋受力狀態和線性最大限度的滿足設計要求［1］。

本文以金水河大橋主橋為例，通過施工階段有限元分析，研究了施工最不利階段橋梁結構的受力狀況和幾何線性的變化，并預測了其施工預拱度，為該橋梁的施工控制提供了重要的分析數據。

1　橋梁概況

金水河大橋跨越金水河同時位于西涼湖分蓄洪區，橋梁起點樁號K33 +175，終點樁號K34 + 015。本橋平面分別位于直線和R =6 000 m的左偏圓曲線，縱斷面縱坡- 0. 3%。本橋的上部構造采用（40 +70 +40）m + 23×30 m預應力混凝土箱梁和預應力混凝土T梁（先簡支后結構連續），全橋長840 m，下部構造橋墩采用薄壁墩、樁柱式墩。

金水河大橋主橋為40 m +70 m +40 m三跨預應力混凝土懸澆箱梁，全長150 m，全橋分為兩幅，每幅橋寬16. 75 m。邊跨與主跨的比值采用0. 571，箱梁頂寬16. 75 m，底寬10. 75 m，采用單箱雙室結構，跨中及兩端支座處梁高2. 0 m，墩中心處梁高4. 2 m，箱梁梁高、底板厚自根部至跨中按二次拋物線變化，單幅箱梁頂設2. 0%單向橫坡，箱梁底板橫向水平，底板厚度從70 cm變化到跨中28 cm，腹板厚度從70 cm變化到50 cm，頂板厚度不變為28 cm。主橋除0號塊外均采用常規掛籃懸臂澆筑施工，邊跨等截面現澆段采用支架現澆施工。

2　有限元模型建立

2.1全橋有限元模型

施工仿真分析是施工過程控制的關鍵，而分析模型的建立則是施工仿真分析的關鍵。

本文根據設計圖紙資料和施工方案，采用全橋組合有限元分析思想，使用Midas Civil建立全橋有限元模型，并詳細劃分了施工階段。

針對預應力混凝土連續梁橋有限元模型的建立，最重要的是注重結構的節點、單元和支撐條件的模擬要與實際工程情況相符，節點是構件位置的定位，而單元則是計算模型中結構構件的表達。

本文采用Midas Civil 2010建立的全橋有限元模型，參照設計圖紙將主橋離散成88節點和60梁單元，其中梁單元又分為主梁單元和橋墩單元，主梁單元均為變截面梁單元，橋墩為等截面梁單元，橋梁結構的梁段截面數據均按設計圖紙輸入。建立完成的全橋有限元模型如圖1所示。

圖1　全橋有限元模型

2.2施工階段定義

根據設計資料和施工單位提供的施工方案，本文在定義有限元模型的施工階段時，考慮各個施工階段之間的聯系和區別，完整的將全橋的施工過程分解為14個施工階段。由于該橋梁左右兩幅沿中軸線位置對稱，因此本橋建模時以其中一幅橋作為計算模型。該預應力混凝土連續箱梁橋有限元模型的詳細施工階段劃分如表1所示。

表1　懸臂施工連續梁橋模型施工階段

3　施工階段分析結果

橋梁結構施工階段仿真分析的目的是對橋梁各個施工階段的受力狀態和幾何線性進行各階段計算分析，為橋梁的內力控制和線形控制提供分析數據。因此，本文按照施工方案擬定的施工過程，采用Midas Civil 2010對武嘉高速公路第五標段金水河大橋進行整個施工過程及結構體系轉換的模擬［2］，并對各個施工階段的內力狀態和撓度變形都進行了分析結果的提取，并得到了橋梁各個施工階段的內力值、變形值和施工預拱度。

3.1內力分析結果

在預應力混凝土連續箱梁橋懸臂澆筑施工中，內力大小的控制是施工階段控制的重要內容。由于混凝土材料受壓強度高、受拉強度低的材性特點，因此，在各個施工階段需要對箱梁截面的上部截面和下部截面進行應力計算，避免橋梁在施工階段中由于混凝土截面受到的拉應力過大而產生裂縫，甚至會對橋梁在施工和運營階段的安全產生嚴重影響。

本文通過對提取的各施工階段箱梁截面應力值進行對比分析，得出該預應力混凝土連續箱梁橋在施工階段過程中箱梁上部截面的最大應力出現在中跨合龍段預應力鋼束張拉之后的0號塊根部，最大應力為- 12. 7 MPa，而箱梁下部截面的最大應力出現在中跨合龍段預應力鋼束張拉前的8號塊附近，最大應力為-10. 9 MPa。應力云圖如圖2，圖3所示。

圖2　箱梁下部截面最大應力云圖

圖3　箱梁上部截面最大應力云圖

3.2位移分析結果

橋梁懸臂施工階段，各節段的位移是伴隨著施工過程和荷載在不斷變化的。為了使得橋梁在合龍階段能夠順利合龍，兩邊同時澆筑的T型剛架在跨中位置的豎向位移應在合理范圍內。本橋在采用有限元模型分析時，得出該橋在中跨合龍前，兩邊箱梁位移差為6 mm，其中左側T型剛架懸臂端在合計荷載下的位移值為20 mm，右側T型剛架懸臂端在合計荷載下的位移值為26 mm，根據工程經驗，兩側位移差不大于20 mm時橋梁可以順利合龍，因此經過位移分析得出該橋可以順利合龍。該施工階段的位移云圖如圖4所示。

圖4　中跨合龍前各節段位移云圖

此外，由于在施工過程中各種因素的影響，橋梁結構不可避免的會出現實際結構狀態與理想結構狀態的偏差［3］。為了使橋梁施工完成后的結構狀態基本達到結構理想狀態的幾何線性和內力狀況，就需要在各節段施工前準確的預測模板的預拱度值。本文在分析了各節段在施工過程中的積累位移的同時，提取出了該橋按照這種施工步驟施工時各節段的預拱度數值。各荷載單獨作用下和合計荷載作用下的各節點初始施工預拱度數據如圖5，圖6所示。

圖5　各荷載單獨作用初始施工預拱度

圖6　合計荷載作用初始施工預拱度

4　結語

本文以金水河大橋為例，對三跨預應力混凝土連續箱梁橋進行了施工階段仿真分析，并對各個施工預拱度進行了預測，結果表明在本橋懸臂施工過程中，預應力鋼束對橋梁的內力和幾何線性影響較為顯著，且本橋在施工階段中混凝土一直處于壓應力狀態，最大壓應力為12. 7 MPa。此外，本橋按照規定的施工工序和預拱度施工時，橋梁合龍段兩端在合龍前的位移差值為6 mm，可以實現順利合龍。

參考文獻：

［1］徐君蘭，項海帆.大跨度橋梁施工控制［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］任志剛，彭苗，盧哲安，等.府河盤龍大橋施工預拱度預測與分析［J］.武漢理工大學學報，2005，27（6）：33-37.

［3］葛耀軍.分段施工橋梁分析與控制［M］.北京：人民交通出版社，2003.

Simulation analysis in construction stage of Jinshui River Bridge

Fu Yingbing
（School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Abstract：The cantilevered construction stages of the Jinshui River Bridge were simulated by the full bridge finite element analysis method，which was composed of three-span prestressed continuous box girder beam. And depended upon the results of simulation analysis in the construction stage，the stress，displacement and construction camber of the prestressed concrete continuous beam bridge were studied，provided reference basis for the bridge construction control.

Key words：combined finite element，cantilevered construction，shrinkage and creep，construction camber

中圖分類號：U445

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0159-02

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：付應兵（1992-），男，在讀碩士