連續(xù)梁0號塊缺陷處理精細(xì)有限元分析

何志超（上海鐵路局 建設(shè)管理處，上海　200071）

連續(xù)梁0號塊缺陷處理精細(xì)有限元分析

何志超
（上海鐵路局 建設(shè)管理處，上海200071）

一客運專線有砟軌道掛籃懸澆連續(xù)梁，主墩0號塊混凝土澆筑完成后出現(xiàn)多處浮漿缺陷。本文研究對0號塊混凝土缺陷加以修復(fù)的可行性，采用Midas軟件建立包含0號塊、1號塊的局部空間實體有限元模型和全橋梁單元模型，模擬缺陷及修補過程、缺陷鑿除及重新施工對0號塊及全橋應(yīng)力和變形的影響。計算結(jié)果表明：2個主墩0號塊齡期差對全橋的應(yīng)力和變形均影響較小；修補過程中及修補后0號塊應(yīng)力和變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求；選用不同等級補澆筑混凝土對0號塊的應(yīng)力和變形影響不大，但選用C55混凝土箱梁應(yīng)力相對較小。0號塊缺陷修復(fù)處理方案可行。

連續(xù)梁；0號塊；缺陷；精細(xì)有限元；施工處理

1　工程概況

主橋為客運專線單箱單室變高度變截面連續(xù)箱梁，橋跨布置為（48+80+48）m。中跨中部2.0 m梁段和邊跨端部 9.65 m梁段為等高度梁段，梁高3.6 m；中墩處寬度4.0 m范圍內(nèi)梁高為6.0 m，其余梁段梁底按圓曲線變化，圓曲線半徑為286.408 m。箱梁頂板寬12.2 m，底板寬6.4 m，在主墩支座處4 m范圍內(nèi)加寬至7.4 m。連續(xù)梁采用掛籃懸臂澆筑施工，劃分施工節(jié)段見圖1，其中 A11為邊跨支架現(xiàn)澆段；A10為邊跨合龍段；B10為中跨合龍段；A1～A9，B1～B9為懸臂澆筑段；0號塊長10 m，采用支架施工。

圖1　施工節(jié)段（單位：cm）

54#主墩0號塊混凝土澆筑完成后，在質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)4處浮漿缺陷，此時預(yù)應(yīng)力尚未張拉，浮漿位置見圖2。圖2中小里程為中跨方向，大里程為邊跨方向。其中第1處浮漿層沿橋梁縱向深度為2.5 m，第2處縱向深度為1.2 m，第3處縱向深度為0.6 m，第4處縱向深度為0.7 m。

0號塊構(gòu)造及受力復(fù)雜，為確保結(jié)構(gòu)安全，需對缺陷進(jìn)行處理。處理方案為鑿除54#主墩0號塊浮漿層，重新澆筑C50混凝土。由于處理該主墩0號塊導(dǎo)致相鄰2個主墩0號塊存在大約3個月的齡期差，需考慮齡期差對連續(xù)梁整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響。此外，還需考慮缺陷修補引起0號塊應(yīng)力重分布。

圖2　54#主墩0號塊浮漿位置（單位：cm）

本文建立實體有限元模型并模擬修補過程，研究54#主墩0號塊空間受力狀態(tài)，確保施工階段和成橋后整個結(jié)構(gòu)的安全可靠。

2　2個主墩0號塊齡期差影響

2.1桿系模型

采用Midas/Civil建立全橋桿系有限元模型，主梁為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，不考慮普通鋼筋參與結(jié)構(gòu)受力。全橋離散為48個單元，邊界條件為中墩固定支座，其余墩為縱向活動支座。分別計算2種工況：①2個T構(gòu)各節(jié)段同步施工；②2個0號塊齡期相差90 d，其余懸臂節(jié)段同步施工。

2.2應(yīng)力與變形

計算結(jié)果表明2種工況的成橋模型在運營階段活載作用下，應(yīng)力一致，變形接近。在施工過程中，2模型的應(yīng)力差值僅有0.01～0.02 MPa，豎向變形差值約0.1～0.2 mm，滿足規(guī)范要求，所以2個主墩0號塊齡期差對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響可以忽略。

3　缺陷修補過程中0號塊局部應(yīng)力變形分析

為分析缺陷修補過程對0號塊的局部影響，對實際施工與原設(shè)計工況中的應(yīng)力和變形進(jìn)行對比分析。

3.1實體模型

采用Midas/FEA建立54#主墩0號塊實體模型，混凝土采用實體單元模擬；鋼絞線和精軋螺紋鋼采用線單元模擬，程序自動耦合鋼筋單元與混凝土單元。建模時假定：①忽略普通鋼筋和錨墊板，故在計算結(jié)果中，鋼束端部將產(chǎn)生較大的應(yīng)力，分析時應(yīng)避免采用此區(qū)域數(shù)據(jù)；②底板和翼緣板滿堂支架用“只受壓彈簧”模擬，主墩處支座臨時固結(jié)；③混凝土強度發(fā)展和收縮徐變系數(shù)參照規(guī)范由程序自動計算。

3.3 堅持頸部按摩鍛煉有助于提高療效 對優(yōu)化各種療效有一定的幫助。通過每天的頸部穴位及肌肉按摩以舒筋通絡(luò)，活血化瘀，調(diào)和氣血，增強肌肉力量，保持頸椎的穩(wěn)定性。患者出院后，利用工作之余或晚上空閑時間練習(xí)，堅持每天練習(xí)幾遍對促進(jìn)患者康復(fù)有著積極作用。由表1顯示，實驗組疼痛程度明顯低于對照組。表2顯示，實驗組椎動脈供血情況優(yōu)于對照組，頸部按摩康復(fù)操鍛煉的患者療效更為明顯。患者在進(jìn)行功能鍛煉時要心平氣和，動作慢柔，循序漸進(jìn)，避免頸部過度活動。

考慮實際施工模型和設(shè)計施工模型的2種施工過程：實際施工模型考慮澆筑30 d后鑿除浮漿層，重新補澆筑，再養(yǎng)護(hù)7 d后張拉預(yù)應(yīng)力，而設(shè)計施工模型澆筑30 d后直接張拉預(yù)應(yīng)力。

3.2實際施工模型鑿除浮漿后主拉應(yīng)力

實際施工模型鑿除浮漿層后，0號塊主拉應(yīng)力如圖3所示，最大主拉應(yīng)力在翼緣板根部，約0.45 MPa，滿足規(guī)范要求，鑿除后結(jié)構(gòu)安全。

3.3實際施工模型張拉預(yù)應(yīng)力后主拉應(yīng)力

0號塊主拉應(yīng)力＞1.2 MPa的區(qū)域集中在縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力鋼束端部，在內(nèi)部沿著縱向預(yù)應(yīng)力鋼束也有少量分布。這是因為軟件中鋼束單元自動和最近的混凝土單元節(jié)點耦合，在局部區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力失真。排除應(yīng)力失真的因素后，張拉預(yù)應(yīng)力后0號塊主拉應(yīng)力＜1.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖3　鑿除浮漿層后主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.42種模型計算結(jié)果對比

1）端部撓度

表1　0號塊端部累計豎向撓度

2）預(yù)應(yīng)力張拉后混凝土正應(yīng)力

實際施工模型與設(shè)計施工模型張拉預(yù)應(yīng)力后，0號塊混凝土縱向正應(yīng)力見表2，實際施工模型距支點2.3 m截面底緣最大拉應(yīng)力為0.953 MPa，頂緣最大壓應(yīng)力為-0.670 MPa；設(shè)計施工模型截面底緣最大拉應(yīng)力為0.625 MPa，頂緣最大壓應(yīng)力為 -0.691 MPa，均滿足規(guī)范要求。

表2　0號塊混凝土累計縱向正應(yīng)力

3）補澆混凝土應(yīng)力

缺陷處鑿除后新澆筑的混凝土強度和齡期與原混凝土不同，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生收縮徐變應(yīng)力，第1處缺陷在預(yù)應(yīng)力張拉完成后出現(xiàn)。實際施工模型和設(shè)計施工模型主拉應(yīng)力云圖分布一致，前者最大值為0.810 MPa，后者最大值為0.788 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4）鋼束有效預(yù)應(yīng)力

研究缺陷處理后對0號塊縱向預(yù)應(yīng)力及豎向預(yù)應(yīng)力的影響。扣除摩擦損失、錨具變形損失及混凝土壓縮損失的有效預(yù)應(yīng)力，實際施工模型縱向鋼束最大應(yīng)力為1 140.3 MPa，最小應(yīng)力為994.8 MPa；設(shè)計施工模型縱向鋼束最大應(yīng)力為1 140.5 MPa，最小應(yīng)力為993.7 MPa。實際施工模型豎向鋼筋最大應(yīng)力為476.0 MPa，最小應(yīng)力為410.0 MPa；設(shè)計施工模型豎向鋼筋最大應(yīng)力為476.0 MPa，最小應(yīng)力為409.3 MPa。兩模型應(yīng)力值基本一致，且滿足規(guī)范要求。

4　不同等級混凝土修補缺陷效果

當(dāng)補澆筑混凝土等級為C55，C50，C40時，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后0號塊縱向正應(yīng)力和端部撓度分別見表3、表4。由表可知，選用不同等級補澆筑混凝土對0號塊的應(yīng)力和變形影響不大，3個模型的計算結(jié)果基本一致，但選用C55混凝土箱梁應(yīng)力相對較小。

表3　不同強度補澆筑混凝土0號塊縱向正應(yīng)力MPa

表4　不同強度補澆筑混凝土0號塊端部撓度　mm

5　運營階段0號塊應(yīng)力驗算

采用有限元法對橋梁進(jìn)行局部受力分析時，得到橋梁局部切開節(jié)點處的內(nèi)力和位移，將此作為該處的外荷載和位移邊界條件，再進(jìn)行橋梁局部變形和應(yīng)力計算。采用圣維南原理進(jìn)行局部分析，精度仍能滿足工程要求。故本文根據(jù)上述思想，將54#主墩的箱梁0號塊和1號塊梁段從橋梁整體結(jié)構(gòu)中取出，用較為精確的空間實體單元模擬，再將計算得到的整體結(jié)構(gòu)位移作為強制邊界條件施加在箱梁1號塊梁段的端部，對箱梁0號塊梁段進(jìn)行局部應(yīng)力分析，從而了解箱梁0號塊梁段局部受力特征。為驗算在運營階段0號塊缺陷處的應(yīng)力，將運營工況全橋平面模型中的力作用到實體精細(xì)模型上，計算0號塊缺陷處修補后是否滿足規(guī)范要求。

5.1模型與工況

考慮工況：自重+預(yù)應(yīng)力+二期恒載+收縮徐變力+54#主墩沉降1 cm+移動荷載+整體升溫20℃ +日照溫差，其中移動荷載滿布左邊跨和中跨。

在上述工況作用下，提取桿系模型1號塊端部的內(nèi)力，見表5。將桿系模型1號塊端部的內(nèi)力作為外荷載作用在精細(xì)化模型端部質(zhì)心處，而直接作用在0號塊和1號上的二期恒載和活載則轉(zhuǎn)化為均布面荷載q=19.4 kN/m2。

表5　作用在1號塊端部的內(nèi)力

5.20號塊應(yīng)力

根據(jù)圣維南原理，距集中荷載（1號塊端部截面）大于6 m（1倍梁高）處的應(yīng)力計算結(jié)果是可靠的，分析距離1號塊端部6.2 m處（距支點2.3 m）截面縱向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力。

1）縱向正應(yīng)力

運營荷載下54#主墩0號塊縱向正應(yīng)力見圖4，在運營荷載下橫隔板出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.85 MPa。最大壓應(yīng)力為 -11.88 MPa，此處截面雖有突變的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但滿足規(guī)范要求。

圖4　運營荷載下54#主墩0號塊縱向正應(yīng)力（單位：MPa）

2）主拉應(yīng)力

運營荷載下54#主墩0號塊主拉應(yīng)力見圖5，主拉應(yīng)力超限區(qū)域有2處：①橫隔板折角處；②豎向預(yù)應(yīng)力端部，最大主拉應(yīng)力為3.54 MPa，原因是應(yīng)力集中導(dǎo)致計算結(jié)果失真。中跨端腹板距支點2.3 m截面最大主拉應(yīng)力為2.1 MPa，其他區(qū)域主拉應(yīng)力 ＜3 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖5　運營荷載下54#主墩0號塊主拉應(yīng)力（單位：MPa）

6　結(jié)論

缺陷處理方案研究結(jié)果表明，兩主墩0號塊齡期差對全橋的應(yīng)力和變形均影響較小；修補過程中及修補后0號塊應(yīng)力和變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求；成橋后結(jié)構(gòu)安全可靠，缺陷處理方案可行。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［3］王艷，陳淮.大跨度懸臂拼裝施工連續(xù)梁橋0號梁段局部應(yīng)力分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008，5（3）：23-27.

［4］李仲陽.大跨度連續(xù)梁橋應(yīng)力監(jiān)控和零號塊空間應(yīng)力分析［D］.沈陽建筑大學(xué)，2003.

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［7］楊進(jìn)，羅永，羅學(xué)成.連續(xù)剛構(gòu)0號塊的空間應(yīng)力分析［J］.公路，2011（6）：90-94.

［8］張戎令，王起才，馬麗娜，等.橋梁懸臂施工0號塊高程控制［J］.鐵道建筑，2011（4）：16-17.

（責(zé)任審編鄭冰）

Precise Finite Element Analysis on Defect Treatment for Hammer Head Block of Continuous Girder

HE Zhichao
（Construction Department of Shanghai Railway Bureau，Shanghai 200071，China）

A ballasted track continuous girder bridge was constructed with cantilever erection method in a passenger dedicated railway.Concrete laitance was found on several places after concrete casting of the hammer head block （No.0 block）.T he practicability of defect fixing was studied in this paper.T he whole bridge model and local No.0 and No.1 block models were created by finite element analysis software to simulate the defect treatment and construction process.T he effects of treatment construction including stress and deflection of the bridge were analyzed.T he calculation results show that the stress and deformation of the bridge almost keep unchanged with different concrete age of two No.0 blocks.T he stress and deformation of the No.0 block satisfy requirements of the design code during and after repairing process，being insensitive to the repairing concrete grade.Relatively smaller stress follows with C55 repairing concrete.T he defect fixing plan is feasible.

Continuous girder bridge；No.0 block；Defect；Precise finite element；T reatment construction

U441+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.05

1003-1995（2016）08-0022-04

2016-03-30；

2016-05-17

何志超（1973— ），男，高級工程師，碩士。