节段预制拼装箱梁架梁施工安全性分析

曹新恒

（中铁二局股份有限公司，四川成都　610031）



节段预制拼装箱梁架梁施工安全性分析

曹新恒

（中铁二局股份有限公司，四川成都610031）

摘要：通过大型有限元软件ABAQUS，建立了东莞地铁R2线2312标的节段预制拼装简支箱梁三维空间有限元仿真模型，论证了在架桥机过跨和架梁两种最不利工况作用下的梁体受力性能，提出了梁端附近混凝土拉应力过大问题的施工对策，并分析论证了临时支撑措施的有效性，保证了架梁施工荷载下结构的安全性。

关键词：架梁施工，箱梁，空间有限元法，架桥机

0　引言

东莞地铁R2线2312标主要为高架桥梁结构，桥梁跨度有25 m与30 m线两种结构形式，单跨梁体节段分标准段、过渡段与端节段，其结构形式如图1所示。箱梁架设采用梁体分节段在梁场预制，待强度满足设计要求后运输至桥跨位置，利用架桥机悬拼后再整体落梁的施工方式。由于架梁施工时的临时荷载远较正常使用荷载大，因此需对架梁施工时梁体结构的安全性进行分析研究。

图1　箱梁节段断面图

1　计算内容及计算方法

1.1计算内容

架桥机架梁施工的安全验算属于桥梁结构的施工阶段验算，此时结构二期恒载还未施加，预应力收缩及混凝土徐变还未发生，此时主要是验算根据架桥机生产厂家提供的架梁施工时各支腿的支反力对桥梁结构的整体和局部造成的影响是否超过桥梁自身的承载能力。架桥机架梁施工各工况支反力情况见表1。

表1　架梁施工主要工况支腿反力汇总表

根据以上荷载工况的荷载情况，选取工况2和工况3对梁体进行架梁施工安全验算。

1.2计算方法

由于箱梁在梁端受有局部荷载，而目前箱梁横向计算的有关研究文献［1］～［4］均为针对箱梁跨中一般节段的横向受力性能分析，未能考虑梁端处支座反力对梁体横向顶板、底板及腹板的耦合影响，因此不能真实的反映梁端附近箱梁局部受力性能。文献［5］中明确表示平面框架法得到的横向应力远大于空间有限元法，在实际设计计算中须谨慎使用平面框架法；文献［6］也认为平面杆系有限元法是一种实用简单的结构分析方法，在对结构进行横向的研究和分析时，是一种相对粗略的计算方法，文献［7］获得了比较好的空间受力性能计算结果，文献［8］同样表示采用空间实体单元研究箱梁局部开裂问题是较好选择。因此本文采用大型有限元软件ABAQUS建立空间实体模型进行仿真分析。

2　有限元计算模型

2.1有限元模型的简化

根据架桥机架梁施工的荷载工况可知：架桥机过跨时刚好作用在跨中附近，架梁及静力加载实验时梁端支反力与梁端同时作用相同荷载的支反力仅相差4. 5%；所有工况荷载位置横桥向均对称布置。因此，为减少计算规模取全梁的1/4结构建立有限元模型进行分析计算。

2.2材料参数

表2　结构材料力学参数

2.3预应力加载

预应力加载采用降温法施加。由于有限元模型中降温法不能模拟预应力筋的摩阻损失，因此，在对预应力筋施加预应力荷载前根据规范［9］的规定分区域扣除由于摩阻影响损失的预应力，即对不同区域设定不同的降温值［10］。

2.4有限元模型边界条件及单元划分

整个模型按实际情况取1/4结构计算，在箱梁的纵横对称面上设立对称边界条件，支座处设置钢板与梁底面建立接触约束并约束竖向位移。钢绞线及端节段梁体钢筋采用embed约束埋入梁体混凝土中。混凝土采用C3D8R单元模拟，预应力钢绞线和HRB335普通钢筋采用B31单元。有限元整体模型如图2所示。

3　计算结果分析

3.1架桥机过跨施工

根据表1，架桥机过跨时可按荷载作用在跨中位置考虑，其荷载为单个支腿1/2的荷载R =695 kN，其主要计算结果如图3～图6所示。

图2　有限元整体模型

图3　箱梁主拉应力云图

图4　箱梁横向应力云图

图5　箱梁竖向应力云图

图6　箱梁底板纵向压应力

由计算结果可知，梁体在架桥机过跨施工荷载作用下梁体主拉应力，横桥向拉应力均不大于C50混凝土的抗拉强度标准值，底板纵桥向正应力未出现拉应力，符合全预应力结构要求。

3.2架桥机架梁及静载实验工况

根据表1，比较架桥机架梁和静载实验工况可知，静载实验工况更为不利。因此仅对静载试验工况进行模拟分析，其主要计算结果见图7～图10。

图7　梁端主拉应力云图（一）

图8　梁端横向应力云图（一）

图9　梁端竖向应力云图（一）

图10　梁端纵向应力云图（一）

为更详细的了解端节段横向应力分布规律，分别在箱梁顶板上下缘，箱梁底板上缘每隔0. 5 m选择一条应力查看路径以分析应力沿箱梁纵向的变化情况，其结果见图11，图12。

根据以上计算结果可知：端节段在静载试验工况荷载作用下，其主拉应力、顶板横向拉应力及腹板竖向应力均存在超过C50混凝土抗拉强度的区域。由图11，图12可知，梁体横向应力变化基本上由梁端截面向跨中逐渐减少，到端节段末端其顶板与腹板拉应力均满足混凝土抗拉强度要求。

图11　梁端顶板下缘横向应力

图12　梁端腹板外侧应力

综合架桥机静载实验工况作用下的应力云图及各截面顶板下缘横向拉应力和腹板外侧竖向拉应力的应力变化情况分析可以确定，架桥机架梁施工时如不采取措施，箱梁将由梁端向跨中方向逐渐开裂形成顶板和腹板的纵向裂缝，这将影响梁体正常运营的使用寿命，为全预应力构件所不允许，因此应采取措施控制架梁施工荷载对梁体结构的影响。

4　架梁施工梁体承载能力不足的对策措施及其分析

针对架梁施工时梁体端节段混凝土应力超标的问题，拟定采用在梁端支座位置设置箱内竖向钢支撑，以将部分架桥机支腿荷载直接通过钢支撑传至支座；临时钢支撑设置为顺桥向距梁端0. 7 m，横桥向支座中心距1. 9 m；安装支撑时对每个支撑施加30 t的预加力。增加临时支撑后的主要计算结果如图13～图16所示。

图13梁端主拉应力云图（二）

根据加支撑后的分析计算结果分析可知，临时支撑的直接传力作用对改善箱梁的空间应力分布有明显的效果，其最大主拉应力降到2. 3 MPa以内，小于C50混凝土的抗拉强度标准值ft= 2. 64 MPa，不至于引起混凝土的开裂；原先在箱梁顶板、腹板的混凝土拉应力超限区的正应力也得到有效控制，均未超过混凝土的抗拉强度标准值。

5　结语

通过对箱梁架设过程中的不利工况进行三维空间实体有限元模拟分析，明确了架梁施工荷载下梁体结构不同部位的应力响应，得出以下结论：

图14　梁端横向应力云图（二）

图15　梁端竖向应力云图（二）

图16　梁端纵向应力云图（二）

1）箱梁在架桥机过跨工况下其主拉应力、跨中荷载作用位置附近顶板、腹板的正应力大小均未超过C50混凝土的抗拉强度标准值，箱梁底板下缘未出现纵向拉应力，仍处于全预应力状态，梁体结构安全，满足施工要求。

2）架梁施工时箱梁的顶板、腹板、底板等多个区域出现主拉应力和正应力超标的问题；当采取在梁端增设临时支撑的施工措施之后，梁端在局部荷载作用下的应力分布情况得到明显改善，其主拉应力、顶板横向拉应力和腹板竖向拉应力均控制到C50混凝土抗拉强度标准值以内，可以保证梁体架梁施工的安全。

参考文献：

［1］郭金琼，房贞政，郑振.箱形梁设计理论［M］.第2版.北京：人民交通出版社，2008.

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［4］吴海林，冯广维.箱梁横向内力分析及有效宽度［J］.石家庄铁道学院学报，2001，14（2）：10-11.

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［6］刘治宇.箱梁横隔梁平面杆系有限元与空间有限元计算对比［J］.北方交通，2007（12）：1-4.

［7］谭竣.预应力混凝土连续箱梁桥的顶板力学性能研究［J］.中外公路，2009，29（5）：66-68.

［8］龙佩恒. PC连续箱梁桥开裂的数值分析方法［J］.北京建筑工程学院学报，2007，23（4）：9-10.

［9］JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［10］颜海.大跨度斜拉桥索塔环向预应力的有限元分析［J］.上海公路，2003（4）：93-94.

Safety study of the box girder erection for the box girder precast segment assembled

Cao Xinheng
（China Railway No. 2 Bureau Co.，Ltd，Chengdu 610031，China）

Abstract：By ABAQUS establishing a three-dimensional finite element model of the Dongguan metro R2 line 2312 standard segmental prefabricated box girder，it is demonstrated that the box girder is affected by the cross and frame beam construction，give a solution to avoid the problem of the oncrete tensile stress near the end of the beam is too large，and through analysis，it is proved that the temporary support measures are effective，ensured the structure safety of erecting beam construction load.

Key words：erecting beam construction，box girder，space finite element method，bridge machine

中图分类号：U445

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0189-04

收稿日期：2016-01-12

作者简介：曹新恒（1981-），男，硕士，工程师