有限元软件模拟悬臂施工法简介

李典洵

四川北极星水利工程设计有限公司

1 引言

大跨径预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。根据连续梁桥的特点，采用逐段平衡悬臂浇筑，先形成T 构，再逐跨合龙，逐跨释放临时固定支座，完成体系转换，最终形成多跨预应力混凝土连续梁桥。在现实条件下，大跨径预应力混凝土连续梁桥各部位在施工阶段以及运营阶段的受力情况非常复杂，如果全部采用人工计算，既费时费力，又容易出现错误，一旦设计不符合要求，则需要进行大量的重复计算。结构分析专用软件的应用在工程领域显示出越来越重要的地位。

作者简介：李典洵（1988～），男，四川绵阳人，市政工程二级建造师，从事市政工程施工建设和水土保持规划设计，（电子信箱）363675506@qq.com。

2 悬臂浇筑施工技术

2.1 结构及其特点

零号块：零号块是体系转换的控制块体，位于桥梁桥墩处采用支座进行连接固定，梁体的受力经零号块通过支座向墩身传递。

横隔板：悬臂施工的梁体大多采用箱形截面，因为箱型截面抗扭刚度较大。故一般在支点等承受扭矩较大的部位内设置横隔板。零号块内横隔板承受荷载较大，故横隔板的尺寸设置需综合考虑并反复验证。

合龙段：合龙段的施工是桥梁施工的重要环节。在合龙段施工过程中，由于温度变化、混凝土初期收缩、后期徐变、混凝土的水化热，以及结构体系变化和施工荷载等因素，对尚未达到强度的合龙段混凝土会产生破坏性影响，故合龙段的合拢施工必须使两侧梁体形变与合拢段保持协调和平衡，并能有效传递内力。合龙段的长度应结合施工技术、规范标准等综合考虑，以减小合拢段的施工技术难度，提高合拢质量。一般合拢段长度在1.5m～3m 范围内。合龙段的受力模拟应考虑预加配重、挂篮自重、合拢段自重和施工荷载等要素。

临时固结措施：悬臂施工时，为保证结构几何体系不变，需将墩梁固结，以承受不平衡弯矩。在软件模拟过程中需要设置临时固结，以模拟梁体在施工过程中体系转换的全过程，提高软件模拟受力分析的准确性。

2.2 受力特点

用悬臂施工法的施工的连续梁桥，在施工过程中经历了零号块浇筑—T型双悬臂对称浇筑—边跨合拢—中跨合拢的过程，合龙后形成连续梁桥。各施工阶段产生的内力会产生叠加并存在于合拢成桥后。由于合龙段较短，其产生的内力一般较小，故T型双悬臂受力状态为主要部分。对悬臂施工连续梁桥，合龙后根部负弯矩很大，而中跨跨中恒载弯矩较小，二期恒载加上以后，根部负弯矩增大，中跨跨中承受相对较小的正弯矩。因此，截面几何尺寸需根据以上受力分布特点，结合结构的抗弯刚度，材料本身的抗压抗拉强度综合考虑。

3 有限元软件MIDAS应用步骤

3.1 初步设计

首先根据规范结合经验运用CAD制图软件设计制作桥梁初步方案，确定梁体各个部位的基本参数，包括梁体截面形式，长、宽、高，变截面曲线参数，钢筋材料型号、长度、直径，施工工艺和步骤等。

3.2 建立模型

根据初步方案确定下来的基本参数，通过MIDAS 有限元软件建立初步模型，包括分阶段梁体静态尺寸，荷载组合设置，体系转换设置以及二期徐变。

3.3 受力验算

模型建立成功后通过MIDAS 应力计算，验证梁体各个部位的受力情况是否合理，有无超过标准要求，安全冗余度是否满足。如不满足，则针对不满足部位进行相应的外观尺寸和钢筋参数的调整，调整完成重新进行受力验算，如此循环以上步骤直至各项指标皆满足规范规定和业主要求。

4 施工步骤模拟

具体施工步骤为以下几点。

（1）桥台、桥墩、基础施工，基础沉降。

（2）桥墩上0 号块现浇，搭设桥墩临时固接，安装挂篮0，施加钢束预应力0。

（3）1号块现浇，拆除挂篮0，激活挂篮1，施加钢束预应力1。

（4）2号块现浇，拆除挂篮1，激活挂篮2，施加钢束预应力2。

（5）3号块现浇，拆除挂篮2，激活挂篮3，施加钢束预应力3。

（6）4号块现浇，拆除挂篮3，激活挂篮4，施加钢束预应力4。

（7）5 号块现浇，搭设边支座满堂支架，现浇边跨现浇段，施加钢束预应力5、边跨合拢段预应力，拆除挂篮4。

（8）边跨合拢，现浇边跨合拢段，激活中跨合拢段挂篮，施加中跨合拢段预应力，拆除边支座满堂支架。

（9）中跨合拢，拆除中跨合拢段挂篮，拆除中墩临时固接。

（10）二期徐变。

0号块施工：

1号块施工：

2号块施工：

3号块施工：

4号块施工：

5号块施工及边跨现浇：

边跨合拢：

中跨合拢：

5 主要参数

通过有限元软件的模拟验算，最终确定桥梁的各个主要参数：

支点处梁体的高跨比为1/12，支点处梁高为4800×1/12=400cm，线路中心距为575cm，跨中处梁高为240cm。

跨中处腹板厚度为40cm，上底板厚度40cm，下底板厚度

40cm。

支座处腹板厚度为40cm，上底板厚度40cm，下底板厚度

40cm。

跨中截面梁高和支点处截面梁高比为0.6，梁体变高度曲线按两次抛物线设置。从美观的角度上讲，具有二次抛物线的梁高的连续梁桥具有视觉上的曲线美、流体美感，比之等高度梁更具空间立体感。

本连续梁桥混凝土等级采用C50，根据施工要求划分为27个梁段，跨中合拢段长2m，桥台处现浇2m，桥墩处0号块长6m，采用现场浇注，其余节段均为4m，用悬臂施工法时按梁段分块浇筑，为了安装悬臂施工挂篮，其中0号块和根部梁段在桥墩上搭设三角托架现场浇筑。

钢筋采用I 级光圆钢筋（Q235）fsk=235 MPa 和II 级带肋钢筋（HRB335）fsk=335MPa，钢筋弯起半径分别为6m、15m和30m。具体钢筋布置见钢筋布置图1。

图1 钢筋布置侧视图

桥梁用钢筋编为0～22号，桥墩支座处梁段0号块～5号块上方受拉钢筋为0～5 号钢筋，边跨现浇段上方顶板钢筋为6 号钢筋，跨中上方顶板钢筋为7号钢筋，支座处顶板钢筋为8～13号钢筋，边跨底板钢筋为14～17 号钢筋，中跨地板钢筋为18～22 号钢筋。横向构造筋直径8mm，间距90mm均匀布置。

箍筋按下列原则布置：

采用II 级带肋钢筋（HRB335）fsk=335MPa。梁内应设置直径不小于8mm的箍筋，腹板箍筋间距不应大于200mm；在布置有纵向预应力钢筋的翼缘中，应设置闭合形或螺旋形箍筋，起间距不大于100mm，而在梁跨端部500mm 范围翼缘内，起间距应为80mm～100mm；当梁翼缘宽度大于500mm 时，箍筋不应少于四肢；用于抗扭的箍筋应是闭合箍筋。

6 结束语

结构分析设计软件在我国工程领域越来越被推广和运用，本文简单地介绍了有限元软件MIDAS如何运用于工程领域。通过有限元软件MIDAS 建立三跨30+48+30 预应力混凝土连续箱梁桥(上部结构)有限元计算模型的过程和步骤，在经过了反复的调整后，完成了梁体施工设计，较为准确地模拟了主梁、预应力筋、支座等在施工和运营的各个阶段的受力情况，使大众有一个直观地认识。

二期徐变：