連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊施工過程受力分析

摘要：文章通過建立ANSYS實(shí)體單元模型，利用單元生死技術(shù)模擬施工過程中0#塊結(jié)構(gòu)及其托架的受力規(guī)律。結(jié)果表明：澆筑第一層混凝土?xí)r，荷載完全由托架承受；當(dāng)?shù)谝粚踊炷两K凝后獲得結(jié)構(gòu)剛度，形成傳力第二途徑，后續(xù)施工荷載70%由已成型的第一層0#塊混凝土承擔(dān)受力，剩余30%荷載由托架傳入墩柱，同時(shí)0#塊托架各主要構(gòu)件應(yīng)力重新分布。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；0#塊結(jié)構(gòu)；分層澆筑；施工荷載

中圖分類號：U448.23 A 45 157 4

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋梁作為四大基本橋型，在世界各地得到廣泛應(yīng)用［1-4］，其中0#塊作為連續(xù)剛構(gòu)橋梁上構(gòu)中的重要組成部分，具有澆筑方量較大、施工周期較長、施工風(fēng)險(xiǎn)較高、受力復(fù)雜的特點(diǎn)，其施工質(zhì)量及安全必須得到保證。托架作為支撐混凝土的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，上部0#塊混凝土荷載皆由其承擔(dān)，其重要性不言而喻。由于澆筑方量較大，一般以人洞為界，混凝土分為兩層澆筑，探究兩次混凝土荷載對托架體系的作用效果，從而揭示施工過程中0#塊及托架受力規(guī)律，為后續(xù)托架設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以及加強(qiáng)施工過程控制。

針對0#塊托架，國內(nèi)一批研究人員開展了較豐富的研究。溫森元［1］通過安裝應(yīng)變計(jì)，獲得的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，0#塊第二層混凝土澆筑時(shí)，托架承受荷載占第二層混凝土澆筑施工荷載的22.1%；匡志強(qiáng)［2］設(shè)計(jì)新型長臂滿足施工需求，通過Midas軟件對其進(jìn)行受力分析，結(jié)果符合要求；李東陽［5］在建立ANSYS有限元模型的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮錨固處受力情況，從而達(dá)到對整體托架進(jìn)行分析的目的。以上研究人員皆對托架進(jìn)行了豐富、詳細(xì)的研究，本文聚焦施工過程，對托架體系、混凝土分層等因素進(jìn)行更深一步研究。

1 工程概況

本文以某橋?yàn)樗憷_展研究，該橋長為874 m，孔數(shù)及孔徑為11×（40+70+125+70+4×40）m。主橋采用連續(xù)剛構(gòu)形式，引橋?yàn)橄群喼Ш筮B續(xù)T梁。0#塊長12 m、寬12.75 m、高7.8 m；其中頂板厚0.8 m，腹板厚0.9 m，底板厚1.7 m；翼緣板長3.13 m，平均厚度為0.45 m，總澆筑方量為342.4 m3。0#塊采用預(yù)埋牛腿托架施工，托架預(yù)壓方案采用墩身預(yù)埋牛腿反拉形式。 見圖1。

2 0#塊托架理論計(jì)算

由于0#塊方量較大，同時(shí)為減少托架受力負(fù)荷，一般以人洞附近作為分割界限進(jìn)行分層澆筑，待第一層混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)達(dá)到齡期后，再進(jìn)行第二層混凝土施工。因此在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，將上部混凝土荷載簡化為均布荷載，如圖2所示；下部托架簡化為超靜定體系，如圖3、圖4所示。

力法方程為：

δ11·x1+δ12·x2+Δ1p=0（1）

δ21·x1+δ22·x2+Δ2p=0（2）

各系數(shù)計(jì)算方法為：

δ11=1/E2I2·（A豎直2·α1·M豎直）+1/E1I1·（A豎直1·α2·M豎直）（3）

δ22=1/E2I2·（A水平2·α1·M水平）+1/E1I1·（A水平1·M水平）（4）

δ12=δ21=1/E2I2·（A豎直2·α1·M水平）+1/E1I1·（A數(shù)值1·α2·M水平）（5）

Δ1p=1/E2I2·（A外荷載·α3·M豎直）（6）

Δ2p=1/E2I2·（A外荷載·M水平）（7）

A豎直2=M豎直·L3/2（8）

M豎直=1·L1（9）

A豎直1=M豎直·L1/2（10）

A水平2=M水平·L3/2（11）

M水平=1·L2（12）

A水平1=M水平直·L1（13）

式中：δ11、δ12、δ21、δ22——力法方程求解系數(shù)；

A豎直1——豎直單位力作用于縱向工字鋼彎矩圖的面積（m2）；

A豎直2——豎直單位力作用于斜腿工字鋼彎矩圖的面積（m2）；

M豎直——豎直單位力作用于結(jié)構(gòu)最大彎矩（kN·m）；

α1——A豎直2形心所在位置與斜腿工字鋼長度L3的比值；

A水平1——水平單位力作用于縱向工字鋼彎矩圖的面積（m2）；

A水平2——水平單位力作用于斜腿工字鋼彎矩圖的面積（m2）；

M水平——水平單位力作用于結(jié)構(gòu)最大彎矩（kN·m）；

α2——A豎直1形心所在位置與縱向工字鋼長度L1的比值；

α3——A外荷載形心所在位置與縱向工字鋼長度L1的比值。

3 有限單元法模擬計(jì)算

3.1 模型介紹

采用大型數(shù)值分析軟件ANSYS建立0#塊托架模型，其中牛腿托架、支架鋼管、模板背楞采用Beam188模擬，模板采用Shell63模擬，混凝土采用Solid45模擬。整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)共計(jì)5 028個(gè)，單元共計(jì)6 962個(gè)，其中梁單元4 202個(gè)，板單元1 104個(gè)，實(shí)體單元1 656個(gè)。見圖5。

3.2 邊界條件介紹

邊界條件如下（圖6）：

（1）托架端點(diǎn)采用固結(jié)全約束模擬。

（2）托架斜撐、托架底縱梁以及分配梁兩兩接觸處采用剛性約束，支架鋼管與模板之間亦采用剛性約束。

（3）第一次澆筑荷載采用面荷載直接施加至底板單元。

（4）第二次澆筑荷載采用面荷載直接施加至兩次澆筑交界面處的實(shí)體單元上。

另外，本次模擬兼顧計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間的要求，建模做出以下簡化：

（1）忽略0#塊漸變段，視為等截面建立模型。

（2）忽略混凝土成型所需的實(shí)際齡期，僅模擬未成型與成型兩種關(guān)鍵狀態(tài)，中間過程不予考慮。

規(guī)定ANSYS坐標(biāo)系中x軸方向?yàn)閷?shí)體大橋中的橫橋方向，y軸正方向?yàn)樨Q橋向，z軸方向?yàn)榭v橋向。

3.3 澆筑過程模擬

連續(xù)剛構(gòu)0#塊施工順序?yàn)椋和屑艽罱ā谝淮位炷翝仓谝淮位炷脸尚汀诙位炷翝仓诙位炷脸尚汀９时狙芯坷肁NSYS單元生死技術(shù)模擬澆筑過程。

數(shù)值模擬過程具體操作步驟為：

（1）開啟牛頓-拉普森求解項(xiàng)（NROPT），啟用ANSYS單元生死技術(shù)。

（2）利用ANSYS單元生死技術(shù)，將未澆筑的混凝土板單元全部“殺死（EKILL）”，使其不參與受力分析。

（3）對于流體狀態(tài)未成形的混凝土板，將其自重轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載施加于結(jié)構(gòu)之上，忽略其剛度作用。

（4）待混凝土板成型后，刪除上述由自重轉(zhuǎn)化的節(jié)點(diǎn)荷載，“激活（EALIVE）”之前“殺死”的混凝土板單元，同時(shí)考慮其密度與剛度的作用，使其參與結(jié)構(gòu)受力分析。

對于實(shí)體單元模型，分別計(jì)算翼緣板、第二次澆筑腹板以及頂板自重，隨后施加至翼緣板模板、第一次澆筑腹板和第一次澆筑底板上。對于梁單元模型，計(jì)算方法與實(shí)體單元一致，僅加載位置不同，并且引入第二次澆筑荷載折減系數(shù)β。對于第一次澆筑荷載，底板與腹板按100%荷載施加于底板模板單元相應(yīng)位置；對于第二次澆筑荷載，腹板、翼緣板和頂板分別按β折減后，施加于底板模板、翼緣板單元和底板模板單元相應(yīng)位置，如表1和圖7所示。

4 結(jié)果提取及分析

由表2可知，托架各構(gòu)件在施工過程中，應(yīng)力不斷增大，當(dāng)進(jìn)行混凝土澆筑工序時(shí)，增長效率較高；而當(dāng)?shù)谝淮螡仓尚秃螅鲩L效率較低或基本不變，因此在施工控制時(shí)應(yīng)更為關(guān)注混凝土澆筑工序。究其原因，當(dāng)?shù)谝淮位炷翝仓r(shí)，荷載全部由托架體系承擔(dān)，即通過下頁圖8（a）中路徑傳力；待混凝土成型獲得剛度后，部分自重由自身傳入墩柱，一定程度上分擔(dān)了托架受力；當(dāng)?shù)诙位炷翝仓r(shí)，約70%荷載通過已成型的第一層混凝土傳力，即圖8（b）中傳力途徑B，剩余30%荷載通過原托架體系傳力，即圖8（b）中傳力途徑A。

從梁單元模型的計(jì)算結(jié)果可知，第二層混凝土澆筑荷載折減系數(shù)β取值為0.3～0.35時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)體單元模型較為接近。

5 結(jié)語

通過有限單元法對托架及0#塊結(jié)構(gòu)的模擬，揭示了施工過程中結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，明確了結(jié)構(gòu)傳力途徑，結(jié)論如下：

（1）第一層混凝土澆筑時(shí)，荷載全部經(jīng)托架傳遞至墩柱；第二層混凝土澆筑時(shí)，70%荷載由第一層混凝土傳遞至墩柱，30%荷載由托架系統(tǒng)承擔(dān)。

（2）托架設(shè)計(jì)時(shí)，建議其極限承載力按第一層混凝土全部自重以及部分第二層混凝土自重取值，第二層自重折減系數(shù)β取值為0.3～0.35。

參考文獻(xiàn)

［1］溫森元.0#塊分層澆筑托架受力分析［J］.西部交通科技，2018（1）：102-105.

［2］匡志強(qiáng).連續(xù)剛構(gòu)高墩長懸臂0#塊托架設(shè)計(jì)與施工分析［J］.西部交通科技，2021（7）：101-103.

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收稿日期：2022-12-20