基于Midas FEA分析的預制U形節段梁吊點設計

2018-11-09 07:06:16何曉光

城市道橋與防洪 2018年10期

劉芳，何曉光

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433）

1 概述

1.1 預制U形節段梁結構特征

預應力混凝土U形梁是一種新型下承式預應力混凝土橋梁結構，由道床板、主梁及端橫梁組成，屬于一種復雜的空間梁板組合結構。其傳力體系為：車輛荷載作用在橋面上，荷載通過橋面板（橫梁）傳遞給主梁，主梁受彎扭作用，而且下端承受豎向的吊拉力。在施工吊裝過程中，U形梁只承受自重荷載作用。

該項目所研究預制雙線U形梁有兩腹板和三腹板兩種形式，本文僅對兩腹板節段梁進行研究。

兩腹板梁：梁長29.4 m，梁高2.2 m，頂寬9.928 m，底寬7.706 m；橫斷面采用兩腹板的形式，支承采用橫梁雙點支承。每跨梁由10片節段梁組成，每片約40 t，如圖1、圖2所示。

圖1 雙腹板預制U形梁節段的標準斷面（單位：mm）

圖2 雙腹板預制U形梁標準節段（中間節段）

1.2 吊裝工況

預制節段U形梁在拼接施工過程中將經歷從起吊到懸吊、從懸吊到起吊的多次轉換。

根據節段拼裝的施工技術方案，節段的起吊工況存在以下幾種情況：

（1）將節段從模板中吊起，并放置到堆場。

（2）將節段在堆場內被吊起轉運。

（3）將節段從堆場內吊起并裝車。

（4）將節段從載運車輛上吊起，并懸掛在架橋機上。

（5）拼接節段時，再次吊起單個節段涂抹膠黏材料，并拼接、懸掛。

由于U形梁抗扭能力較箱形節段梁更弱，且要經歷不同的吊裝工況，吊點的設置與結構安全密切相關，所以對于不同的梁形，應該選擇合理的起吊位置和起吊方式。

2 力學模型建立

2.1 分析方法

對于吊點位置的計算分析，有傳統手算或簡化為桿單元進行線性有限元分析計算。但因為U形梁屬于薄壁空間受力體，所以擬采用空間塊單元有限元法進行建模計算。這樣可以更加詳細地仿真出在吊裝過程中每個具體單元的受力情況，更好地對不同吊點組合及不同吊點位置組合的吊裝工況進行受力分析和模擬，有助于選擇出最好的吊裝方案。經比較采用Midas FEA進行建模計算。

2.2 建立模型

根據對稱性，CAD中取1/2截面圖形存為DXF文件，導入軟件。進行手動網絡劃分，盡量為均等的四邊形，主梁上緣局部為三角形。延伸網格成為3D模型，多為分析較精確的六面體，少數為五面體。兩腹板共劃分為14 480個單元體，三腹板劃分為7 120個單元體。

在“分析”下拉菜單里設置材料參數和分析對應規范。該項目使用C55型號混凝土，彈性模量取3.55×1010N/m2，質量密度取 25 000 N/m3，在軟件設置中選取中國交通部公路標準。

在“分析—邊界條件”選項下設置約束條件。該項目在模型相應預留吊孔位置設置鉸接約束，用以模擬吊點約束力的作用。

2.3 荷載及分析工況

吊裝工況下唯一只承受自重荷載，考慮到會有起吊加速度及吊裝過程中的不穩定情況存在，自重因子取用1.5。該方案選擇線性靜態分析。

根據吊點設置在腹板和底板兩種思路進行假設和驗算。吊點位置和數量結合實際施工便利，根據對稱原則進行假設。經初步篩選后選取以下工況進行建模分析，見表1。

表1 分析工況

3 檢算原則

檢算報告按照下列規范進行施工階段檢算：《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB 10002.3—2005）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）、《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2002）。

槽形梁在施工階段應進行混凝土抗裂驗算，其控制指標見表2。

檢算原理：讀取運算結果，在不利處——跨中截面或主梁與底板結合處，讀取上下表面單元應力值。積分獲得該處軸力彎矩符合上述規范內相應規定，并同時也能滿足表2中結構應力限值規定，即可判定結構受力安全合理。

表2 槽形梁施工階段控制參數

4 吊裝工況檢算

4.1 腹板吊裝

在腹板翼緣內側選擇對稱四點進行吊裝建模分析，如圖3所示，并通過調整h值來了解槽形梁在不同吊裝方案比選下的受力性能，確定安全應力范圍。

圖3 預留吊孔位置圖

通過對h取不同數值進行運算，歸納總結出槽形梁受力規律如下。

4.1.1 產生最大應力位移的吊點位置

h=0.75 m或0.9 m時，各項應力及最大豎向位移指標有最大值。以h=0.75 m為例，如圖4、圖5所示。

圖4 模型應力云圖示例

圖5 連接吊點支點反力圖示例

從模型云圖中可讀取，底板跨中位置最大豎向位移為1.66 mm，最大橫橋向正應力為2.07 MPa，最大縱橋向正應力為0.6 MPa。滿足規范要求。

4.1.2 產生最小應力位移的吊點位置

h取0.15 m時，各項應力及最大豎向位移指標有最小值。

通過模型云圖讀取，底板跨中位置最大豎向位移為1.7 mm，最大橫橋向正應力為2.65 MPa，最大橫橋向正應力為0.7 MPa。滿足規范要求。

4.1.3 吊點位置選取的最佳范圍

通過對h由0～1.5 m的其他不同取值，得知0.45 m＜h＜1.05 m時，各項指標變化極小，底板最大橫向及縱向正應力變化均不超過0.005 MPa，豎向最大位移變化在0.005 mm左右。各項指標數值均較小且變化幅度極小，應力水平均勻。建議在此最佳范圍內選取吊點。

4.1.4 驗算結論

通過對兩腹板進行模擬吊裝建模運算，可知以下幾點：

（1）經h取任何值時，應力及位移值均不超過規范范圍，故應力對吊點縱向位置不敏感。

（2）h取0.75 m或0.9 m時，是最佳吊點位置。

4.2 底板吊裝

通過以上驗算，得知吊點對縱向位置，即h的變動不敏感，所以這里僅對不同吊點數進行驗算。

4.2.1 采用“四點吊”底板

在底板位置選取四點進行分析，假定h取0.72 m，預留孔平面位置如圖6所示。

圖6 “四點吊”預留吊孔位置平面圖（單位：mm）

最大位移為2.4 mm，最大順橋向單元正應力為2.6 MPa，最大橫橋向單元正應力為0.33 MPa。各項指標滿足規范要求。

4.2.2 采用“八點吊”底板

增加預留孔數目并根據以上檢算結果和工程經驗，盡量均衡合理布置，如圖7所示。

圖7 “八點吊”預留吊孔位置平面圖（單位：mm）

結構最大位移為1.16 mm，最大橫橋向單元正應力為2 MPa，最大縱橋向單元正應力為0.3 MPa。各項指標滿足規范要求。

4.2.3 驗算結論

近年來，隨著不斷改善人們的生活質量，逐漸的改變了人們的生活及飲食習慣，使冠心病的發生率有所升高，同時，老齡化速度加快、延長人均壽命又進一步增加了老年冠心病患者的數量，尤其是65歲以上高齡患者[7]。目前，臨床治療冠心病患者時，一種有效手段為經皮冠狀動脈介入治療，有效的降低了該疾病的死亡率，但行經皮冠狀動脈介入治療的最終目標不僅僅是延長患者生存期，還要把患者預后及生活質量改善[8]。大量研究發現，冠心病患者行經皮冠狀動脈介入治療后，在術后1年內容易發生不良心血管事件，極大的影響患者預后，而不良心血管事件的發生除了相關于患者自身的飲食習慣、生活習慣外，還與冠心病危險因素密切相關[9]。

對上面兩個驗算進行總結：

（1）以上兩方案均能滿足規范要求，“八點吊”方案較“四點吊”方案結構應力較小，結構受力更為均勻。

（2）“八點吊”方案中，中間四個吊點的結構支反力小于外側吊點，并且最大單元正應力出現在腹板底部與底板交界處，在施工過程中應注意此受力情況；如需對吊點位置進行調整，可略向外側（腹板方向）進行微調。

（3）吊底板方案中只有一組預留孔，起吊懸吊轉換過程中，因著力點有轉換，對于底板吊孔處會略有受力分配的轉換，對結構應力應變的影響較小，可以忽略。