基于midas软件的连续梁桥结构边界条件的分析

吴小强,李盛斌

（延安大学建筑工程学院,陕西延安,716000）

连续梁桥由于超静定结构体系的影响，在支点产生负弯矩，跨中的正弯矩被大大缩减，因此此类桥梁在荷载作用下，支点处和跨中的弯矩都会有所缩减。目前常见的连续梁桥有三种结构类型，一般为连续梁、T型刚构和连续刚构，对于连续梁桥又可分为变截面和等截面连续梁桥，本文依托的工程实例沈阳苏北大桥主桥是变截面连续梁桥，该桥采用的施工方法是悬臂浇筑施工。该类桥梁，一般仅仅设置两条伸缩缝，伸缩缝的减少能保证行车的舒适与平顺。另外在桥梁结构承受动力荷载和温度及支座变形等因素干扰下产生的二次应力也较少，相对于连续刚构桥梁来说，此类桥梁超静定次数较少，施工过程需要体系转化和临时固结，跨度相对较少，但是由温度及支座变形等引起的应力较少。

0 前言

连续梁桥在当今桥梁建设中的应用非常广泛，连续梁桥具有刚度大、变形小、抗震能力强等优点。连续梁桥的施工方法具有多样性，目前常用的主要有满堂支架施工和挂篮施工。大跨径预应力混凝土结构的施工目前主要采用的是挂篮施工的方法。例如上世纪七十年代采用+悬臂施工方法制造的兰州黄河大桥。目前最大跨径的预应力混凝土桥梁的跨径已经达到了165m，由于预应力混凝土连续梁桥属于超静定体系，在桥梁的施工过程中，涉及到很多的结构力学方面的知识，对于连续梁桥，在体系转换和临时固结等节点边界条件的重要性必须引起重视，因为边界条件的改变直接影响着计算结果的准确性和有效性。目前常用的有限元分析软件是桥梁博士和midas，这两种有限元软件在结构模拟分析中应用十分广泛，并且有力的指导了工程实践。在进行结构施工监控时，也往往需要这两种软件建立有限元模型，并且对于每一个施工工况进行准确的模拟，模拟过程中注意边界条件的转化及结构单元的添加与删除，最后得出每个控制界面在各个施工工况下产生的应力及挠度变形，把这些得出的数值作为理论值，指导施工过程中的应力应变。而结构的边界条件往往是结构有限元软件模拟的准确与否的关键，因此在进行结构有限元软件模拟分析前，必须要搞清楚结构的边界条件的变化，要忽略一些次要因素，注意现实条件与软件计算的拟合。

1 现行的临时固结措施和边界条件的模拟存在的问题

1.1 现行的固结措施

一般而言，进行悬臂施工的连续梁桥，在进行结构有限元模拟时，首先必要要搞清楚结构的墩梁固结措施，只有准确的理解墩梁的固结状态，才能更准确的模拟桥梁的结构边界条件，目前对于悬臂浇筑的变截面预应力混凝土连续梁桥墩梁固结的措施主要有以下三种：

(1)、将0#块梁段与主墩钢筋或预应力钢筋临时固结，待大桥合龙，结构稳定后切断连接即可。

(2)、在桥墩一侧或两侧加临时支撑或支墩。常见的固结方式有下面三种。

(3)、将0号块临时支撑在扇形或门式托架的两侧。

1.2 目前有限元软件模拟边界条件存在的问题

悬臂施工的关键过程就是结构的墩梁的临时固结和体系转化，临时固结的主要目的就是保证整座桥梁建设过程中的安全与稳定。对于大跨径的预应力混凝土连续梁桥来说，必须要进行桥梁的施工监控，而大桥的结构体系的边界条件的变化是极其重要的，这直接影响着施工监控的准确性。对于此类桥梁而言，结构的边界条件及体系转化极其复杂，一般为了简化模拟过程，常常将一些复杂的问题转化为简单的力学边界条件。如何选择精准的边界条件，对结构的体系模拟至关重要，对计算的结果影响巨大。例如0号块浇筑结束后，进行墩梁固结，在进行软件模拟的时候一般控制x、y、z既不能发生转动又不能发生移动，而在实际工程中，临时锚固是有一个扭转刚度的，由于扭转刚度较大，一般而言我们可以简化为墩梁的临时固结，再如对于三跨连续梁桥，在边跨合拢段建筑后张拉预应力钢绞线的时候，此时边跨的满堂支架的支撑边界条件要发生改变，此时仅仅保留支座处墩梁的简支，去除满堂支架的支撑，如果未去除满堂支架的影响，计算的结果就会产生奇异。再如浇筑完中跨合龙段后，边跨两个墩梁的铰接要变为简支体系，张拉预应力钢束后要保证整座桥梁只有中跨的墩梁固结，边跨的墩梁简支。

2 工程概况

苏北大桥的孔径为55+80+80+55米，结构体系为变截面连续梁桥，桥梁的施工手段采用挂篮悬臂施工，桥下跨越的是沈大铁路、苏抚铁路、长轨基地1-3号线及编组站。由于结构跨越铁路的重要性要求在悬臂施工过程中必须保证结构体系的安全与稳定。本桥梁结构的宽度为19.8m。桥墩采用的是滑膜施工，主梁采用的是悬臂浇筑。本桥梁的主梁的支点处梁高为5m，梁底按1.8次抛物线变化。

主桥中支点梁高5m，跨中和边支点梁高2.5m，梁底线形从距墩中心1.75m到距墩中心39m按1.8次抛物线变化，顶板厚0.3m，底板厚度从距墩中心4m处的0.658m按1.8次抛物线变化到距墩中心39m处的0.3m。跨中部分腹板厚度0.5m，支点部分腹板厚0.7m。墩顶0号块设1个厚度3.5m的横隔板（留检修人孔），边跨端部设厚度为1.55m的端横隔板。对于纵向预应力束设置了顶板悬臂束（T）、边跨底板合龙束（BB）、中跨底板合龙束（ZB）、边跨顶板合龙束（BT）五种.整座桥梁在施工过程中结构的边界条件最重要的两个变化就是结构在浇筑完0号块时要进行结构的临时固结，在进行主梁合龙的时候要进行体系转换，及墩梁固结要拆除，转换为简支体系，主梁采用连续结构。

3 结构体系边界条件的模拟

对于悬臂施工的连续梁桥，在进行悬臂浇筑前，必须要保证墩梁的临时固结，在大桥竣工后又要及时的拆除临时固结，进行结构的体系转换。对于悬臂浇筑来说，在支架上浇筑完0号块以后就要进行墩梁的临时固结，这个过程要进行准确的模拟，模拟时要保证墩梁既不能发生位移的变化又不能有角度的转动，这就要求我们要控制墩梁的x、y、z方向的转动与移动。在大桥进行合拢浇筑的时候又要进行及时的转化。拆除0号块处墩梁的临时固结，恢复整座大桥的正常连接。

沈阳苏北大桥的结构模拟采用的是有限元分析软件midas进行模拟分析，在分析过程中，必须要对桥梁结构的临时固结和体系转换进行精确地模拟分析，只有这样才能得到更加准确的结果。在建模过程中，我们首先要忽略掉次要因素，在模拟过程中忽略掉不可确定的基础沉降、桥墩变形等因素，边界条件的正确与否对结构的模拟计算影响很大。对于本桥梁而言，在0号块浇筑后要进行墩梁的临时固结，此时对于有限元分心软件midas而言我们要控制x、y、z方向的转动和移动来模拟28号墩、29、30号墩的临时固结情况。在进行边跨合龙前，三个主墩的边界条件都不发生改变。在进行边跨合拢时，用控制边跨两个墩的x、y、z方向的移动，并控制x方向的转动的边界条件来模拟边跨两个桥墩的墩梁连接状态。29号墩的墩梁仍然固结。对于中跨合龙时，28号墩、30号墩这两个边跨的墩梁要采用控制y、z方向的移动、x方向的转动来模拟边跨连墩的墩梁状态，此时，两个墩梁固结的状态就是不控制x方向移动的简直体系。对于29号墩，要采用面控制各个方向的移动和转动来模结构体系的墩梁固结状态。结构体系的准确模拟能够及时反映出各个施工阶段桥梁的受力状态，为桥梁的施工监控提供更可靠的数据支持。边界条件的不同往往影响结构的位移及受力，这就直接影响着桥梁施工监控的准确性和实用性。

在模拟过程中我们要注意在进行边跨合拢前，边跨现浇段要进行弹性支撑模拟，在边跨浇筑的时候要注意此时的满堂红浇筑的边界调节进行调整，只有28号墩的节点处变为只控制y、z方向的移动不控制x方向的移动的简支体系，其他支撑要及时的消除，否则会产生计算结构的奇异。在进行边跨合拢时要及时的修改28号墩和30号墩的边界条件，及时的从铰接变为简支。只有这样才能准确的模拟整个结构体系在施工过程中的体系转化，才能更好更准确的指导桥梁的施工监控。

4 边界条件的模拟对桥梁施工监控的影响

作为施工监控前的准备工作，在进行施工监控的时候必须要准确的模拟结构在各个施工阶段的受力及边界条件，结构的受力一般比较明朗，对于悬臂施工的连续梁桥来说，挂篮的前移和挂篮的位置及重量比较重要，但是在有限元模拟过程中大家最容易忽略的是结构的边界条件的模拟，本文通过对苏北大桥主桥结构整个施工过程的研究分析，特别是对结构边界条件的探究，准确的提供了结构在各个施工工况下各个控制界面的应力、挠度变形的控制情况。桥梁挠度控制主要依靠建立梁顶标高控制网和梁底立模标高控制网，通过对上述两组数据的控制，整座大桥的成桥线形满足误差范围(±50mm)，并且大桥的合龙精度较高在2cm之内，满足规范的要求。对于整座大桥的应力监控，监控的结果基本和理论值相吻合，并且变化趋势保持一致，应力监测的误差也在规范允许范围内。由此我们可以推断结构的边界条件的模拟准确使用，能够较准确的指导结构的施工监控

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