混凝土拱橋施工監測仿真技術研究

周曉滿

混凝土拱橋施工監測仿真技術研究

周曉滿

采用通用有限元軟件ANSYS 8.0,對大跨度鋼筋混凝土拱橋全橋結構按設計荷載進行了全橋靜力分析,得出各主要結構構件的應力、內力和變形值,從而找出了各構件監控的主要部分,從而為拱橋施工監測仿真技術研究積累經驗。

混凝土拱橋,施工監測,有限元,仿真分析

大跨度鋼筋混凝土拱橋在過去常用搭架(拱架)施工法,隨著施工技術的發展,擴大了拱橋的適用范圍,提高了它在大跨徑橋梁中的競爭能力。鋼筋混凝土拱橋與斜拉橋相比,抗風穩定性強,造價低,維修費用小?；炷凉皹?包括污工拱橋和鋼筋混凝土拱橋)雖然也存在部分缺點,但由于其優點突出,在我國公路橋梁中得到廣泛應用[1,2]。本文提出了一種仿真分析模型,用大型通用有限元軟件 ANSYS根據各個構件的實際情況,建立了全橋的有限元分析模型,用來模擬橋梁在各個施工階段的受力分析。根據各工況下的靜力分析結果,提出了鋼筋混凝土拱橋的施工全過程監測控制要點,得出各主要結構構件的應力、內力和變形值,找出各監控構件的主要部分,為試驗確定施工監測測試傳感器的安裝截面和測點位置提供依據。

1 仿真分析模型的建立

拱橋主要由拱肋、立柱和橋面系三部分組成,橋面系由縱梁、橫梁、橋面板組成。作為一剛性立柱剛性拱的空間整體受力結構,其荷載傳力路線為：橋面板—橫梁—縱梁—立柱—拱肋—承臺—基礎。本文仿真拱橋主要構件含：承臺及樁基、拱肋、拱靴、中立柱、邊立柱、拱肋立墻、橋面板等。

建模采用直接建模的方法。拱肋在建模時采用離散成折線形的直梁單元[3-5]。實現鉸接的方法是：在同一位置用 2個節點,然后耦合。因為邊立柱剛接于承臺之上,而拱肋是要鉸接于承臺上的,可以利用同一個節點模擬。拱肋、縱梁、橫梁和立柱等構件均采用梁單元 Beam188。梁單元與梁單元之間的連接方式默認為剛性連接,在梁單元 Beam188中必須要把 Keyopt(3)設置成 2,橋面板和 5號立柱至拱中設置混凝土立墻均采用板殼單元 Shell63模擬。拉索處于受拉狀態且為小位移狀態,故采用三維桿單元Link10來模擬。承臺采用Beam44來模擬。在承臺底用一個 6個方向的剛度可以相互耦合的彈簧單元Combine14代替樁基對承臺的作用。模型中的單位采用國際單位：質量采用 kg;長度采用m;結果中單位：應力為 Pa;彎矩為 Nm;軸力為 N。模型共有單元3 029個,其中梁單元有 1 057個;板單元有 1 920個;桿單元有4個;彈簧單元有 48個。

荷載計算：結構重力：即全橋自重作用下的受力分析。根據《城市橋梁荷載設計標準》,結構物重力及橋面鋪裝、附屬設備等外加重力均屬結構重力密度,所以只考慮橋面鋪裝層的重量而不考慮其剛度[6]。預應力：模擬對全橋縱梁的縱向預應力筋束進行張拉施工,預應力筋束采用超張拉工藝,錨下控制應力為 1 357.8 MPa,乘以鋼鉸線截面面積得出縱向壓力 55 800 kN?；詈奢d：拱橋荷載為城—A級,根據《城市橋梁荷載設計標準》規定,橋梁的主梁、主拱等計算應采用車道荷載。城—A級車道荷載應按均布荷載加一個集中荷載計算。當橋的跨徑大于 20m且不大于 150m時,計算彎矩時,車道荷載的均布荷載標準值采用 10.0 kN/m,所加集中荷載采用 300 kN。人行道板的人群荷載采用 5 kPa的均布荷載計算。

2 施工階段內力計算與監控過程分析

恒載的內力計算和施工過程有關。該拱橋采用先分段預制拱肋,同時澆筑灌注樁、承臺、安裝拉索并張拉,架設施工支架,吊裝拱片在四根支架上,固定拱腳和拱頂;澆筑拱靴,連接拱頂;從中到邊按順序拆除支架,并張拉拉索。注意在拆除支架時不要突然撤掉支架,以免拱頂積蓄的應變能突然釋放,在自重的作用下導致拱頂位移過大而導致拱頂底部開裂;然后安裝立柱模板、澆筑立柱混凝土,并張拉拉索;架設縱橫梁及橋面板模板、澆筑縱橫梁及橋面板混凝土,待混凝土達到設計強度后張拉縱梁預應力鋼索;張拉拉索、安裝錨頭保護,主體結構施工結束。

表1 邊立柱各測試截面的理論計算值

表2 中立柱各測試截面的理論計算值

表3 各工況下拱肋各測試截面的理論計算值

根據 6個施工順序分別顯示內拱肋和外拱肋左拱腳附近單元、拱肋 1/4左、1/4右和拱頂截面的軸力和彎矩;從安裝立柱模板、澆筑立柱混凝土開始到最后一個工況,列表顯示內拱肋和外拱肋上的邊立柱和 4根中立柱的軸力、彎矩和剪力;在后三個工況中顯示內梁和外梁的梁端、四分點和跨中截面的剪力、彎矩;從橫梁中挑選左梁端、1/4跨、跨中等列表顯示剪力、彎矩。同時在整個施工過程中,分別顯示跨中截面的撓度變形值。限于篇幅,僅列出邊立柱和中立柱各測試截面的理論計算值如表1～表 3所示。

根據以上計算結果,分析得出在全橋施工過程中,對各關鍵施工階段進行內力、變形以及變位的監測與控制,應主要完成以下工作：

1)澆筑完承臺后張拉拉索的施工過程中,監測和控制承臺的水平位移,測試拉索的拉力。

2)拆除臨時支墩并張拉拉索的施工過程中,跟蹤監測拱肋各測試截面處的應力和變形,并跟蹤監測和控制承臺的變位和拉索的拉力。

3)澆筑拱上立柱混凝土并張拉拉索的施工過程中,測試各測試邊立柱各測試截面內的混凝土應力,測試拱肋各測試截面處的應力和變形,并跟蹤監測和控制承臺的變位和拉索的拉力。

4)澆筑縱橫梁和橋面板混凝土并張拉拉索的施工過程中,測試縱橫梁和立柱的混凝土應力,測試拱肋各測試截面處的應力和變形,并跟蹤監測和控制承臺的變位和拉索的拉力。

5)張拉縱梁預應力鋼束并張拉拉索的施工過程中,測試縱橫梁和立柱的混凝土應力,測試拱肋各測試截面處的應力和變形,并跟蹤監測和控制承臺的變位和拉索的拉力。

3 結語

本文對拱橋進行了結構分析和施工全過程的監測,測得了該拱橋的主橋在施工各階段的位移和應力,得出以下結論：

1)通過應變儀的測量,測得主橋各部位混凝土的應力。這些應力的大小和分布規律符合設計意圖。測得的該橋混凝土壓應力的最大值未超過混凝土的抗壓強度,滿足規范要求。2)比較全橋各部位混凝土的應力水平,發現拱腳部位混凝土的壓應力最大,最大壓應力已經大于 20MPa,再加上部分拱腳的鉸接點處理不理想,造成拱腳附近拱肋上面和下面的應力有較大差別,這些對于截面較小的拱腳部位都是不利的,建議今后同類設計應對此部位予以加強。對本橋應在使用中定期對橋梁結構的主要部位進行定期檢查,尤其是使用初期。3)傾斜的邊立柱在施工中容易產生由于自重引起的彎矩,施工中應注意柱模板水平支撐的剛度。4)對于該橋最主要的拱肋部分,在施工過程中除個別點在個別時刻出現過很小的拉應力,其余全部受壓,且壓應力在允許范圍內。這說明該橋的拱軸選擇合理,在主要荷載作用下實現了無矩。5)該橋在施工中豎向位移很小,說明其具有很好的剛度。

[1]趙 雷,張金平.大跨度拱橋施工階段非線性穩定分析若干問題的探討[J].鐵道學報,1995,21(5)：29-31.

[2]金偉良.鋼筋混凝土拱橋極限承載力[J].浙江大學學報,1997,24(5)：39-42.

[3]趙長軍,王鋒君,陳 強,等.大跨度鋼管混凝土拱橋空間穩定性分析[J].公路,2001(2)：47-48.

[4]胡大琳.大跨徑鋼管混凝土拱橋空間幾何非線性分析[J].中國公路學報,1998,35(11)：87-88.

[5]張建民,鄭皆連,秦 榮.拱橋穩定性研究與發展[J].廣西交通科技,2002,25(2)：31-32.

[6]鐘新谷,曾慶元.系桿拱橋穩定性研究[J].湘潭礦業學院學

報,1998,13(1)：53-54.

Study on simulation technology for construction monitoring on concrete arch bridge

ZHOU Xiao-man

Through adopting finite element software ANSYS8.0,this paper carries on whole bridge static analysis for large-span steel rein forced concrete arch bridge structure according to its load,and obtains stress,internal force,and deformation value of each structural component.Thus,it finds outmain monitoring components of each structure,and accumulates experience for simulation technology research for construction monitory on concrete arch bridge.

concrete arch bridge,construction monitoring,finite element,simulation analysis

U 446

A

1009-6825(2011)03-0172-02

2010-09-21

周曉滿(1978-),男,工程師,天津城投集團,天津 300381