混凝土拱桥施工监测仿真技术研究

周晓满

混凝土拱桥施工监测仿真技术研究

周晓满

采用通用有限元软件ANSYS 8.0,对大跨度钢筋混凝土拱桥全桥结构按设计荷载进行了全桥静力分析,得出各主要结构构件的应力、内力和变形值,从而找出了各构件监控的主要部分,从而为拱桥施工监测仿真技术研究积累经验。

混凝土拱桥,施工监测,有限元,仿真分析

大跨度钢筋混凝土拱桥在过去常用搭架(拱架)施工法,随着施工技术的发展,扩大了拱桥的适用范围,提高了它在大跨径桥梁中的竞争能力。钢筋混凝土拱桥与斜拉桥相比,抗风稳定性强,造价低,维修费用小。混凝土拱桥(包括污工拱桥和钢筋混凝土拱桥)虽然也存在部分缺点,但由于其优点突出,在我国公路桥梁中得到广泛应用[1,2]。本文提出了一种仿真分析模型,用大型通用有限元软件 ANSYS根据各个构件的实际情况,建立了全桥的有限元分析模型,用来模拟桥梁在各个施工阶段的受力分析。根据各工况下的静力分析结果,提出了钢筋混凝土拱桥的施工全过程监测控制要点,得出各主要结构构件的应力、内力和变形值,找出各监控构件的主要部分,为试验确定施工监测测试传感器的安装截面和测点位置提供依据。

1 仿真分析模型的建立

拱桥主要由拱肋、立柱和桥面系三部分组成,桥面系由纵梁、横梁、桥面板组成。作为一刚性立柱刚性拱的空间整体受力结构,其荷载传力路线为：桥面板—横梁—纵梁—立柱—拱肋—承台—基础。本文仿真拱桥主要构件含：承台及桩基、拱肋、拱靴、中立柱、边立柱、拱肋立墙、桥面板等。

建模采用直接建模的方法。拱肋在建模时采用离散成折线形的直梁单元[3-5]。实现铰接的方法是：在同一位置用 2个节点,然后耦合。因为边立柱刚接于承台之上,而拱肋是要铰接于承台上的,可以利用同一个节点模拟。拱肋、纵梁、横梁和立柱等构件均采用梁单元 Beam188。梁单元与梁单元之间的连接方式默认为刚性连接,在梁单元 Beam188中必须要把 Keyopt(3)设置成 2,桥面板和 5号立柱至拱中设置混凝土立墙均采用板壳单元 Shell63模拟。拉索处于受拉状态且为小位移状态,故采用三维杆单元Link10来模拟。承台采用Beam44来模拟。在承台底用一个 6个方向的刚度可以相互耦合的弹簧单元Combine14代替桩基对承台的作用。模型中的单位采用国际单位：质量采用 kg;长度采用m;结果中单位：应力为 Pa;弯矩为 Nm;轴力为 N。模型共有单元3 029个,其中梁单元有 1 057个;板单元有 1 920个;杆单元有4个;弹簧单元有 48个。

荷载计算：结构重力：即全桥自重作用下的受力分析。根据《城市桥梁荷载设计标准》,结构物重力及桥面铺装、附属设备等外加重力均属结构重力密度,所以只考虑桥面铺装层的重量而不考虑其刚度[6]。预应力：模拟对全桥纵梁的纵向预应力筋束进行张拉施工,预应力筋束采用超张拉工艺,锚下控制应力为 1 357.8 MPa,乘以钢铰线截面面积得出纵向压力 55 800 kN。活荷载：拱桥荷载为城—A级,根据《城市桥梁荷载设计标准》规定,桥梁的主梁、主拱等计算应采用车道荷载。城—A级车道荷载应按均布荷载加一个集中荷载计算。当桥的跨径大于 20m且不大于 150m时,计算弯矩时,车道荷载的均布荷载标准值采用 10.0 kN/m,所加集中荷载采用 300 kN。人行道板的人群荷载采用 5 kPa的均布荷载计算。

2 施工阶段内力计算与监控过程分析

恒载的内力计算和施工过程有关。该拱桥采用先分段预制拱肋,同时浇筑灌注桩、承台、安装拉索并张拉,架设施工支架,吊装拱片在四根支架上,固定拱脚和拱顶;浇筑拱靴,连接拱顶;从中到边按顺序拆除支架,并张拉拉索。注意在拆除支架时不要突然撤掉支架,以免拱顶积蓄的应变能突然释放,在自重的作用下导致拱顶位移过大而导致拱顶底部开裂;然后安装立柱模板、浇筑立柱混凝土,并张拉拉索;架设纵横梁及桥面板模板、浇筑纵横梁及桥面板混凝土,待混凝土达到设计强度后张拉纵梁预应力钢索;张拉拉索、安装锚头保护,主体结构施工结束。

表1 边立柱各测试截面的理论计算值

表2 中立柱各测试截面的理论计算值

表3 各工况下拱肋各测试截面的理论计算值

根据 6个施工顺序分别显示内拱肋和外拱肋左拱脚附近单元、拱肋 1/4左、1/4右和拱顶截面的轴力和弯矩;从安装立柱模板、浇筑立柱混凝土开始到最后一个工况,列表显示内拱肋和外拱肋上的边立柱和 4根中立柱的轴力、弯矩和剪力;在后三个工况中显示内梁和外梁的梁端、四分点和跨中截面的剪力、弯矩;从横梁中挑选左梁端、1/4跨、跨中等列表显示剪力、弯矩。同时在整个施工过程中,分别显示跨中截面的挠度变形值。限于篇幅,仅列出边立柱和中立柱各测试截面的理论计算值如表1～表 3所示。

根据以上计算结果,分析得出在全桥施工过程中,对各关键施工阶段进行内力、变形以及变位的监测与控制,应主要完成以下工作：

1)浇筑完承台后张拉拉索的施工过程中,监测和控制承台的水平位移,测试拉索的拉力。

2)拆除临时支墩并张拉拉索的施工过程中,跟踪监测拱肋各测试截面处的应力和变形,并跟踪监测和控制承台的变位和拉索的拉力。

3)浇筑拱上立柱混凝土并张拉拉索的施工过程中,测试各测试边立柱各测试截面内的混凝土应力,测试拱肋各测试截面处的应力和变形,并跟踪监测和控制承台的变位和拉索的拉力。

4)浇筑纵横梁和桥面板混凝土并张拉拉索的施工过程中,测试纵横梁和立柱的混凝土应力,测试拱肋各测试截面处的应力和变形,并跟踪监测和控制承台的变位和拉索的拉力。

5)张拉纵梁预应力钢束并张拉拉索的施工过程中,测试纵横梁和立柱的混凝土应力,测试拱肋各测试截面处的应力和变形,并跟踪监测和控制承台的变位和拉索的拉力。

3 结语

本文对拱桥进行了结构分析和施工全过程的监测,测得了该拱桥的主桥在施工各阶段的位移和应力,得出以下结论：

1)通过应变仪的测量,测得主桥各部位混凝土的应力。这些应力的大小和分布规律符合设计意图。测得的该桥混凝土压应力的最大值未超过混凝土的抗压强度,满足规范要求。2)比较全桥各部位混凝土的应力水平,发现拱脚部位混凝土的压应力最大,最大压应力已经大于 20MPa,再加上部分拱脚的铰接点处理不理想,造成拱脚附近拱肋上面和下面的应力有较大差别,这些对于截面较小的拱脚部位都是不利的,建议今后同类设计应对此部位予以加强。对本桥应在使用中定期对桥梁结构的主要部位进行定期检查,尤其是使用初期。3)倾斜的边立柱在施工中容易产生由于自重引起的弯矩,施工中应注意柱模板水平支撑的刚度。4)对于该桥最主要的拱肋部分,在施工过程中除个别点在个别时刻出现过很小的拉应力,其余全部受压,且压应力在允许范围内。这说明该桥的拱轴选择合理,在主要荷载作用下实现了无矩。5)该桥在施工中竖向位移很小,说明其具有很好的刚度。

[1]赵 雷,张金平.大跨度拱桥施工阶段非线性稳定分析若干问题的探讨[J].铁道学报,1995,21(5)：29-31.

[2]金伟良.钢筋混凝土拱桥极限承载力[J].浙江大学学报,1997,24(5)：39-42.

[3]赵长军,王锋君,陈 强,等.大跨度钢管混凝土拱桥空间稳定性分析[J].公路,2001(2)：47-48.

[4]胡大琳.大跨径钢管混凝土拱桥空间几何非线性分析[J].中国公路学报,1998,35(11)：87-88.

[5]张建民,郑皆连,秦 荣.拱桥稳定性研究与发展[J].广西交通科技,2002,25(2)：31-32.

[6]钟新谷,曾庆元.系杆拱桥稳定性研究[J].湘潭矿业学院学

报,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

周晓满(1978-),男,工程师,天津城投集团,天津 300381