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的發展，公路等級以及所處的地理環境也日益復雜多樣，位于高速匝道或者由于山區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展。目前，對于曲線梁橋，國內外研究重點大多都在橋梁的設計方面，包括結構尺寸設計、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。通過軟件模型與現場實際施工經驗相結合的方式，進行現場施工控制技術措施和質量控制方法研究，為類似橋梁工程施工積累寶貴經驗。

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，緊鄰規范規定的極限值。《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)中4.0.17規定：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難點和質量控制要點。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，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技術建立橋梁上部和下部結構的幾何模型和施工過程模型，實現對橋梁上部和下部結構施工方案進行實時、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象，優化施工方案，合理配置施工資源，節省施工成本，加快施工進度，控制施工質量，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聯合Ansys 程序進行計算。對預制安裝橋梁上部結構施工過程進行有限元模擬方案如下，研究上部結構的施工次序，根據對稱性原理，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對應位移和應力的不同，綜合比對分析，得到相對較佳的施工方案[6-8]。

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)中4.4.3橋梁結構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構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構吊裝過程模擬分析

4.1 偶然碰撞作用下柱式墩施工過程穩定性數值模擬

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與所產生最大位移的倍數幾乎一致，如施加載荷從200kN增大5倍到1000kN后，所產生的位移也幾乎是施加200kN時所產生位移的5倍。

4.2 偶然碰撞作用下蓋梁施工過程穩定性數值模擬

對墩柱蓋梁正向和側向分別承受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 墩柱蓋梁側向承受不同載荷下的位移云圖

墩柱蓋梁在受到正向和側向沖擊力時的位移有限元模擬結果如表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，側向受載時墩柱蓋梁及柱體所產生的位移變形整體減小，同時，墩柱蓋梁側向受載時，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。墩柱蓋梁側向承受載荷為200kN時，蓋梁所產生的最大位移為0.8492mm；而在側向承受載荷為1000kN時，對應的蓋梁所產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構吊裝過程模擬分析

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，因此最優選擇為A組裝配方式。

6 結語

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值模擬技術研究，利用工程軟件模擬橋梁施工過程，具體研究結論如下：

(1)通過BIM技術實現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、優化和完善。可以合理配置施工資源，節省施工成本，加快施工進度，控制施工質量，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，根據軟件建模，驗算橋梁結構尺寸，明確橋梁各個部位的當前設計在圓曲線上是否沖突，結構位置、尺寸是否需要優化。

(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。