小半徑曲線橋梁預制安裝設計及有限元分析

王祥蘊，楊林楠，王 歡

(中交路橋北方工程有限公司 北京市 100020)

隨著公路工程項目的不斷增多和公路技術(shù)的發(fā)展，公路等級以及所處的地理環(huán)境也日益復雜多樣，位于高速匝道或者由于山區(qū)地形限制而設計成的圓曲線上的小半徑曲線梁橋得到了快速的發(fā)展。目前，對于曲線梁橋，國內(nèi)外研究重點大多都在橋梁的設計方面，包括結(jié)構(gòu)尺寸設計、受力性能分析、抗傾覆性能研究、抗震分析等理論研究階段；此類橋梁施工過程中重難點較多、質(zhì)量控制困難，同時又由于小半徑曲線梁橋施工過程的理論研究較少，可借鑒經(jīng)驗不足，使其往往成為制約項目施工的難點。通過軟件模型與現(xiàn)場實際施工經(jīng)驗相結(jié)合的方式，進行現(xiàn)場施工控制技術(shù)措施和質(zhì)量控制方法研究，為類似橋梁工程施工積累寶貴經(jīng)驗。

1 工程概況

赤峰省道505項目 K15+785.5盆地溝中橋為小半徑曲線梁橋，設計采用13m預應力混凝土簡支空心板梁橋，共計5跨，每跨設置空心板梁9片，橋面橫坡為單向6%，縱斷面縱坡為0.35%，路線設計時速為60km/h，而本項目盆地溝中橋橋梁平面位于R=148m的右偏圓曲線上，緊鄰規(guī)范規(guī)定的極限值。《公路工程技術(shù)標準》(JTG B01—2014)中4.0.17規(guī)定：最大超高為6%，設計速度為60km/h，最小極限半徑為135m。如圖1所示，施工過程中存在較多技術(shù)難點和質(zhì)量控制要點。本項目擬通過BIM+有限元分析軟件，對小半徑曲線梁橋梁板架設進行方案比選，根據(jù)實際情況制定合理的梁板架設方案，確定架梁順序，保證架梁過程的安全性、高效性，制定科學合理的控制措施，確保曲線橋的梁板架設位置準確[1-2]。

圖1 橋型平面布置圖

2 施工工序BIM模擬

施工前采用三維施工模擬技術(shù)，對橋梁樁基、墩柱、蓋梁、空心板吊裝及路面鋪裝進行施工模擬，如圖2所示。通過BIM技術(shù)建立橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的幾何模型和施工過程模型，實現(xiàn)對橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)施工方案進行實時、交互和逼真的模擬，對已有的施工方案進行驗證、優(yōu)化和完善[3]。預知在實際施工過程中可能碰到的問題，提前避免和減少返工以及資源浪費的現(xiàn)象，優(yōu)化施工方案，合理配置施工資源，節(jié)省施工成本，加快施工進度，控制施工質(zhì)量，提高施工效率[4-5]。

圖2 施工工序BIM模擬

3 有限元模擬方案

采用Altair hypermesh聯(lián)合Ansys 程序進行計算。對預制安裝橋梁上部結(jié)構(gòu)施工過程進行有限元模擬方案如下，研究上部結(jié)構(gòu)的施工次序，根據(jù)對稱性原理，只進行了1號跨主梁施工次序的有限元模擬，有限元模擬過程中只進行線性范圍的研究，綜合考量主梁各板不同的施工次序?qū)灰坪蛻Φ牟煌C合比對分析，得到相對較佳的施工方案[6-8]。

根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中4.4.3橋梁結(jié)構(gòu)必要時可考慮汽車的撞擊作用，汽車撞擊力設計值在車輛行駛方向應取1000kN,在施工過程中，也有可能遭到汽車或施工機械的撞擊，同時撞擊力則可能并未達到極限，因此，本論文對橋梁下部結(jié)構(gòu)施工過程的有限元模擬研究方案如下，分別研究單柱在沖擊力200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN時的變形工況，綁定其下端六個自由度，對該柱子進行有限元模擬；分別研究墩柱蓋梁在正向沖擊力200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN時的變形工況，對墩柱蓋梁進行有限元模擬；分別研究墩柱蓋梁在側(cè)向沖擊力200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN時的變形工況，并對墩柱蓋梁進行模擬。

4 小半徑平曲線預制安裝橋梁下部結(jié)構(gòu)吊裝過程模擬分析

4.1 偶然碰撞作用下柱式墩施工過程穩(wěn)定性數(shù)值模擬

單柱子沖擊力為200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN時，位移有限元模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 墩柱在承受不同載荷下的位移云圖

表1 單柱在沖擊力不同時變形對比

通過以上計算和對比分析可知：隨著碰撞力增大，墩柱最大位移隨之線性增大，且施加載荷的增長倍數(shù)與所產(chǎn)生最大位移的倍數(shù)幾乎一致，如施加載荷從200kN增大5倍到1000kN后，所產(chǎn)生的位移也幾乎是施加200kN時所產(chǎn)生位移的5倍。

4.2 偶然碰撞作用下蓋梁施工過程穩(wěn)定性數(shù)值模擬

對墩柱蓋梁正向和側(cè)向分別承受200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN沖擊載荷的情況下進行了有限元模擬分析，位移有限元模擬云圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 墩柱蓋梁正向承受不同載荷下的位移云圖

圖5 墩柱蓋梁側(cè)向承受不同載荷下的位移云圖

墩柱蓋梁在受到正向和側(cè)向沖擊力時的位移有限元模擬結(jié)果如表2、表3所示。

表2 墩柱蓋梁在受到正向沖擊力時變形對比

表3 墩柱蓋梁在受到側(cè)向沖擊力時變形對比

通過以上計算和對比分析可知，隨著碰撞力增大，墩柱最大位移隨之線性增大，施加載荷與最大位移的曲線斜率保持一個定值不變，如圖6所示。

圖6 最大位移隨載荷變化曲線

由圖5和表3知，相比于正向受載，側(cè)向受載時墩柱蓋梁及柱體所產(chǎn)生的位移變形整體減小，同時，墩柱蓋梁側(cè)向受載時，柱體頂端的最大位移與蓋梁的最大位移差距較小，而在正向受載時，柱體頂端的最大位移與蓋梁的最大位移差距較大。墩柱蓋梁側(cè)向承受載荷為200kN時，蓋梁所產(chǎn)生的最大位移為0.8492mm；而在側(cè)向承受載荷為1000kN時，對應的蓋梁所產(chǎn)生的最大位移線性增加到了4.246mm。

5 小半徑平曲線預制安裝橋梁上部結(jié)構(gòu)吊裝過程模擬分析

通過模型建立出1號跨的橋墩和橋板，導入仿真軟件中，固定橋柱下端六個自由度，依次從1#-2#-3#-4#-5#-6#-7#-8#-9#，從9#-8#-7#-6#-5#-4#-3#-2#-1#，從5#-6#-4#-7#-3#-8#-2# -9#-1#逐根添加橋板進行仿真，將其歸類為A、B、C三組，仿真結(jié)果如表4～表6所示。

表4 橋梁板裝配A組次序位移散點圖

表5 橋梁板裝配B組次序位移散點圖

表6 橋梁板裝配C組次序位位移散點圖

分析得出，A組和B組逐根排布時位移最大值分別為2.387mm和3.218mm，且位移變形量由梁的中部向兩側(cè)逐漸減小。C組的位移最大值為3.22mm，與A、B兩組不同，C組最大位移值出現(xiàn)波動，且波動越來越大。

通過計算橋板裝配的三種方式：A組裝配的平均位移為1.971mm，B組裝配的平均位移為2.089mm，C組裝配的平均位移為2.085mm，因此最優(yōu)選擇為A組裝配方式。

6 結(jié)語

通過小半徑平曲線預制安裝橋梁施工全過程及成橋安全控制數(shù)值模擬技術(shù)研究，利用工程軟件模擬橋梁施工過程，具體研究結(jié)論如下：

(1)通過BIM技術(shù)實現(xiàn)對小半徑曲線橋梁施工方案進行實時、交互和逼真的模擬，對已有的施工方案進行驗證、優(yōu)化和完善。可以合理配置施工資源，節(jié)省施工成本，加快施工進度，控制施工質(zhì)量，提高施工效率。

(2)利用有限元軟件建立小半徑曲線橋梁等比例模型，根據(jù)軟件建模，驗算橋梁結(jié)構(gòu)尺寸，明確橋梁各個部位的當前設計在圓曲線上是否沖突，結(jié)構(gòu)位置、尺寸是否需要優(yōu)化。

(3)利用有限元軟件模擬小半徑曲線橋梁吊裝施工過程，通過梁板架設進行方案比選，確定梁板最優(yōu)吊裝順序，保證架梁過程的安全性、高效性，制定科學合理的控制措施，確保曲線橋的梁板架設位置準確。