剛構連續組合梁橋支座順橋向剛度參數在 Midas_Civil建模中的重要性研究

(1.重慶交通大學 重慶 400000；2.成都市交通規劃勘察設計院 四川 成都 610041；3.中國建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610041；4.中交二航局第三工程有限公司 江蘇 鎮江 212000)

一、引言

隨著有限元理論的成熟和計算機計算能力的不斷提高，建立現代數學和力學理論之間的聯系，通過計算機獲得滿足工程要求的近似數值解的電算方法在現代橋梁的設計、施工監控、檢測維護中得到廣泛應用。這使得組合橋梁在復雜施工順序下結構安全性驗算變得方便快捷。邊界情況是有限元法求解數值解的一個重要條件，輸入精確的支座參數并采用合理的約束類型模擬支座對Midas_Civil中橋梁模型的計算結果精度起著關鍵性作用。

本工程由于整體結構受力特殊，施工順序復雜，在對阿蓬江特大橋的剛構連續梁部分進行施工階段建模分析時，發現連續梁支座模擬中沿橋梁縱向剛度參數對整個模型計算結果影響顯著。本文結合支座實際剛度參數設置三組不同的縱向剛度參數，其他條件不變的情況下建立該橋Midas_Civil整體桿系模型并計算分析了三組支座參數下主要施工階段主梁的內力、變形、施工預拱度、成橋支座反力差異的大小。同時說明按支座實際情況在模型中施加精確約束條件對橋梁設計和分析的重要性。

二、工程概況

(一)總體說明。背景工程為阿蓬江特大橋連續剛構部分，該部分為78+135+66m的三跨預應力混凝土剛構連續梁，主墩為變截面空心墩，從左向右依次編號為16～19#墩，16#墩為輔助墩。總體布置圖如圖1所示。

圖1 總體布置圖(單位:cm)

(二)典型截面。箱梁采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，中墩墩頂處梁高10.0m，合龍段及邊墩現澆段梁高5.0m，梁底底板底層曲線為1.8次拋物線，箱頂寬12m，箱梁底寬7.2m，單側懸臂長2.4m，懸臂端厚20cm，懸臂根部厚65cm。箱梁腹板厚50～110cm；底板厚50～200cm；頂板厚45cm。橫截面布置圖如圖2。

(三)設計標準與主要材料。旅客列車設計最高行車速度200km/h，貨物列車設計速度120km/h；線路情況為新建客貨共線鐵路，雙線，直線，最小線間距4.4m。梁體混凝土材料等級為C55；預應力鋼絞線為1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003。

(四)施工順序。主梁施工采用懸臂澆筑法，掛籃荷載取1200KN。主梁編號分為18個梁塊，第17#梁塊為合攏段。具體施工步驟如表1。

表1 主要施工步驟

圖2 橫截面布置圖(單位:cm)

三、計算模型及支座參數

(一)計算模型。采用MIDAS/Civil建立主梁與橋墩整體桿系模型，由于17、18#墩與主梁為剛性連接，在兩者連接處一直采用彈性連接中的剛性約束；橋墩與主梁均采用梁單元，主梁橫隔板及橫坡均換算成相應重量并在模型中以均布荷載等效處理；豎向預應力筋、橫向預應力筋、普通鋼筋對主梁縱向彎矩、撓屈變形影響不大，為減少模型建立時的工作量，模型中不予以考慮。整體坐標系原點取在全橋左端梁頂上,x方向為順橋方向，y方向為橫橋向，z方向為豎向。主梁單元按實際懸臂澆筑長度進行劃分，橋墩單元劃分結合實體段與空心段長度按1m進行劃分，計算模型一共劃分為175個梁單元。全橋計算模型如圖3。

圖3 全橋計算模型

(二)支座參數。邊界條件是有限元法求解數值解的一個重要條件，輸入精確的支座參數并采用合理的約束類型模擬支座對Midas_Civil中橋梁模型的計算結果精度起著關鍵性作用。在其他條件不改變的情況下，結合支座實際剛度參數在19#墩頂設置三組不同的縱向剛度參數。其中第一組表示無縱向約束，第二組設置為球型鋼支座的實際剛度，第三組表示支座縱向剛度和豎向剛度相同，具體各向剛度見表2。

表2 支座剛度參數(單位:KN/m)

注：SDx、SDy、SDz分別表示整體坐標系下X、Y、Z方向支座剛度。

四、計算結果

計算結果表明在各施工步驟下主梁內力、豎向撓曲變形的計算結果存在一定差異。由于本工程施工步驟復雜，這里本文只給出施加二期恒載的施工步驟下全橋縱向彎矩、主梁豎向撓曲變形的計算結果；同時，本文也給出了主梁預拱度、支座反力的對比結果。

(一)施加二期恒載下內力計算結果。三組不同支座剛度參數模擬下主梁 Fx(KN)、Fz(KN)、My(KN·m)及主梁豎向累計撓曲變形Dz(mm)見圖4～5。

圖4 主梁軸力 Fx

圖5 主梁剪力圖Fz(KN)

圖6 主梁縱向彎矩圖My

圖7 主梁豎向累計撓曲變形Dz

計算結果表明，在施加二期恒載的施工步驟下，三組不同支座剛度參數模擬下全橋內力及主梁豎向撓曲變形具有如下特點：

(1)三組不同支座剛度參數模擬下，主梁軸力、剪力分布及大小能完全吻合；第一組和后兩組支座剛度參數模擬下模型縱向彎矩計算值相比較，主要在18#墩與19#墩間跨中梁段差值較大，其余梁段相差較小。

(2)三組不同支座剛度參數模擬下，連續梁部分主梁豎向撓曲變形差異較大。其中第一組和第三組相差值達到40mm；第一組和第二組相差值也達到了20mm。

(3)三組不同支座剛度參數模擬對主墩內力影響較大，這里不給出詳細結果，讀者可自行驗證。

(二)主梁預拱度值。通過三個模型各施工步驟下計算結果分析發現主梁豎向變形值差異較大，為了綜合考慮各施工階段及活載下三個模型的主梁豎向變形情況，對三個模型預拱度進行對比分析。模型主梁從左向右節點編號為1001～1139，預拱度值對比如圖8。

圖8 預拱度值對比圖(mm)

(三)支座反力。本工程為鐵路橋，橋梁恒載和活載下支座反力都比較大，支座反力直接影響主梁的內力與變形，本文提取出三個模型支座順橋向反力進行對比分析，支座反力見表3。

表3 支座順橋向反力表(KN)

由上表可以看出，在恒載和活載下第二組和第三組參數下順橋向支座反力相差較大。

五、結論

本文提供了三組不同支座剛度參數并從主梁內力、變形、施工預拱度、支座反力等方面對比各自計算結果，發現各參數模型下計算結果差異較大。因此，利用MIDAS/Civil建立剛構連續梁橋在復雜施工順序下有限元模型時，應按照實際支座剛度參數并選擇合理的支座模擬方式，否者模型計算結果具有較大差異，結果準確性難以保證。特別是主梁變形受到邊界約束條件的影響很大，在利用MIDAS/Civil進行橋梁施工線形監控時更應該注意模型中支座實際剛度參數的輸入。希望能對MIDAS/Civil在橋梁設計與施工監控中的應用提供一些經驗和依據。