大跨徑鋼混組合骨架轉體橋拱肋張拉脫架有限元計算模擬

向 猛,李 智,鄒 汛

(1.鶴峰縣公路建設管理所,恩施 445800;2.漢江國家實驗室,武漢 430070;3.武漢馬房山理工工程結構檢測有限公司,武漢 430070)

隨著交通運輸的發展和城市化進程的加快,大跨徑橋梁在現代城市建設中扮演著重要角色。轉體橋作為一種重要的大跨徑橋梁形式,由于其獨特的結構形式和優越的技術性能,在橋梁工程領域得到廣泛應用[1,2]。大跨徑鋼混組合骨架轉體橋轉動體系作為轉體橋的一種典型形式,具有結構簡潔、承載能力大等優勢,在橋梁工程領域也得到了廣泛應用和推廣[3-5]。

然而,隨著轉體橋的不斷發展和跨徑的不斷增大,橋梁的結構性能也面臨著新的挑戰。其中,轉體橋中拱肋的張拉脫架問題是橋梁轉體施工前,危險系數很大的重要施工工序[6]。拱肋張拉脫架是指橋梁在轉體施工前,將依據當地地形建造的拱肋從鋼架支撐上脫離。進而整個轉動體系由轉體球鉸支撐,并立即進行轉體施工。由于拱肋質量很大,為了保證拱肋和背墻交界墩的位移不超過材料本身的最大承受限度,其張拉過程需要將扣索(拱肋與交接墩的連接)和背索(交接墩和轉動磨盤的連接)交替張拉,達到最終目標索力[7]。目前,我國的轉體橋已經得到了廣泛的應用。然而,由于施工難度、橋梁使用環境和荷載等因素的影響,轉體橋拱肋張拉脫架過程尤為關鍵,其問題主要聚焦于轉體橋拱肋張拉脫架中背索和扣索張拉階段的拱肋變形和背墻位移[8]。

在目前的轉體橋拱肋張拉脫架問題的解決中,常用的方式是采用手工計算并現場施工復核。然而,該方法計算量大,需要投入許多算力。因此,引入數值模擬分析成為研究轉體橋拱肋張拉脫架行為的必要手段[9]。有限元計算模擬作為一種有效的數值分析方法,可以模擬橋梁在不同工況下的力學行為,對轉體橋拱肋張拉脫架問題進行深入研究。

論文研究了大跨徑鋼混組合骨架轉體橋轉動體系拱肋張拉脫架過程中的有限元計算模擬。首先,通過MIDAS/Civil建立大跨徑鋼混組合骨架轉體橋的有限元模型;其次,分析背索和扣索張拉階段的拱肋變形和背墻位移情況;最后,根據研究結果提出對未來轉體橋設計和施工的建議,以期提高轉體橋的安全性和可靠性。

1 工程概況

圖1和圖2分別為南渡江轉體拱橋拱肋和背墻立面圖。拱肋分為37個節段(圖1),其中37號節段為跨中合攏段,圖中只有一半,另一半于河對岸對稱建造。圖2中的背墻交界墩為中空設計,為達到預定尺寸和質量,其與轉出體系的拱肋質量平衡。

2 有限元模型建立

2.1 橋梁有限元模型

兩岸轉動體系對稱,計算模型只考慮了一個轉動體系。整個模型分為8 326個節點、7 465個單元,其中八節點實體單元4 754個,四節點厚板單元1 160個,只受拉拉索單元96個,梁單元1 455個,轉動體底部采用固結的方式約束。拉索采用只考慮拉力的索類單元,不考慮其抗彎剛度,而計入拉索的垂度效應。拉索張拉采用施加初拉力的方法模擬。建立的南渡江轉動體系如圖3所示。通過在拉索單元上施加初始單位拉力,然后采用程序計算未知系數的目標優化功能(見圖4),計算滿足約束條件時的拉索索力。其約束條件為:拱肋頂部的標高控制在[0,10] mm之間,墩頂位移控制在1 mm以內來模擬脫架。

2.2 背索與扣索張拉階段模擬

以第一階段的背索張拉(圖5)和最后一個階段的扣索張拉(圖6)為例,進行背索和扣索張拉階段的模擬分析。

由表1可以看出,模擬脫架后,拱肋在1號點處拱肋下弦混凝土板頂部出現拉應力,最大值為0.52 MPa。而底板均為壓應力,數值均小于9 MPa,低于混凝土的屈服強度。

表1 拱肋關鍵部位混凝土應力表

3 結 論

a.通過有限元計算模擬,能夠對拱肋張拉脫架的行為進行詳細分析,并提供較為準確的數值結果,為橋梁設計和施工提供了可靠的參考依據。

b.根據計算結果,拱肋變形、背墻位移以及拱肋下弦混凝土應力都在安全范圍內,未超過設計要求和結構承載能力的限制。

c.可以根據轉體橋拱肋張拉脫架各個張拉階段的拱肋變形和背墻位移最大值采取適當的措施來預防和控制施工過程,并確保橋梁的整體安全性和可靠性。

綜上所述,該研究通過有限元計算模擬,對大跨徑鋼混組合骨架轉體橋轉動體系中拱肋的張拉脫架行為進行了研究。數值模擬方法具有較高的準確性和可靠性,能夠為轉體橋的設計與施工提供參考和指導,為轉體橋張拉脫架過程中的穩定性和可靠性提供了保障。