穿钢棒法施工码头接岸引桥盖梁时的局部应力分析

◎杨文凯 王柱 湖南省航务工程有限公司

穿钢棒法施工工艺在桥梁施工中因其高效率、稳定性、安全性等方面的优势，得到了广泛的应用。由于钢材强度一般较高，在一般码头接岸引桥盖梁施工时，钢棒自身强度一般不是问题。但钢棒与引桥墩柱预留孔之间仅为局部接触状态，受力较为复杂，对孔口混凝土产生应力集中效应，导致孔口混凝土容易被压碎。故本文以国内内河某高桩码头接岸引桥盖梁施工时采用钢棒法为例，运用有限元方法，对钢棒与墩柱混凝土接触处的局部应力进行分析，总结规律并得出钢棒直径、墩柱混凝土强度、荷载大小、荷载作用位置之间的经验公式，方便类似工程施工时参考。

1.计算模型及工况

计算采用Ansys有限元软件建立实体模型进行接触分析，墩柱和钢棒均采用solid185单元，接触面通过targe170和conta174单元模拟面面接触。为减少网格数量，提高计算效率，墩体横向只建出1m×1m截面，从后面计算结果能看出，该大小能满足计算精度。整体计算模型如图1所示。

图1 整体有限元模型及网格划分

计算时考虑现浇盖梁、施工平台、模板自重等荷载。以上述某项目为例，选用直径120 mm高强钢棒，墩柱直径1.8m，钢棒长2.8m，分配到每根钢棒两端的荷载为156.56kN。分析不同参数对墩柱混凝土压应力的影响：荷载大小、钢棒直径、墩体厚度，分析采用单因素分析法，即每次只分析一个因素对结果的影响。

2.计算结果

2.1 实例计算结果

根据上述项目的参数，计算得到混凝土压应力极值分布如图2所示。

图2 墩柱压应力计算结果

从计算结果看出，墩柱混凝土最大压应力达到了-20.3Mpa，低于C40混凝土抗压强度极限值。混凝土压应力主要集中在孔口附近，仅在很小的区域内出现了较大压应力，往墩柱中部和下部，应力迅速扩散骤减。为直观展示应力结果，绘制孔口端部表层节点往墩体中部压应力变化曲线如图3所示。

图3 混凝土压应力极值与距孔口距离关系曲线

从图中可以看出，在距离孔口仅175mm左右距离内，压应力迅速从-20.3Mpa减小至约-4Mpa，往后压应力逐渐趋于0。故一般来说，墩柱厚度（直径）并非影响钢棒对墩柱混凝土压应力的关键因素。

2.2 规律分析

1）钢棒直径影响分析。采用单因素法进行分析，保持荷载值、墩柱厚度等参数不变，每次改变钢棒直径大小D进行计算，然后提取混凝土最大压应力值，如图4所示。钢棒直径与混凝土压应力呈负相关，即钢棒直径越大压应力越小，且影响比例有减小的趋势。

图4 钢棒直径对混凝土应力影响曲线

图5 荷载作用点位置对混凝土应力影响曲线

试算的几种直径钢棒具体计算结果见表1。

表1 不同直径钢棒下混凝土最大压应力

2）荷载作用位置影响分析。荷载作用在钢棒时，传递到孔口除剪力外还有弯矩作用，弯矩随距离的增大而增大。同样采用单因素法分析，保持荷载值等其他参数不变，每次改变荷载位置，即距孔口距离ΔL进行计算，提取混凝土最大压应力，计算结果如下：

距离孔口距离ΔL与混凝土压应力呈正相关，即距离越大压应力越大，且影响比例有减小的趋势。

2.3 经验公式推导

显然压应力值与荷载值成正比关系，可令压应力极值计算公式为：

式中：P为钢棒一端分配到的荷载值，单位N；D为钢棒直径，单位mm；f为压应力极值；a、b、c为待定系数；k为荷载增大系数，将因荷载中心作用点距离孔口的距离ΔL（mm）的影响值转换为一影响系数，当ΔL为200mm时，取1。

对于上述项目，k=1，P=156.56 kN，则式（2.1）可转化为：

利用Matlab进行二次曲线拟合，计算出a、b、c分别约为0.134、19.5、3450，拟合曲线见图6。

图6 式（2）拟合曲线

图7 荷载增大系数拟合曲线

荷载增大系数k是关于ΔL的函数，根据表2计算结果，可得表3。

表2 不同荷载作用位置下混凝土最大应力

表3 不同荷载作用位置下荷载增大系数

采用同样的方法进行二次拟合计算，得到：k=-2.714×10∆L+0.0017∆L+0.76。

则最终的经验公式为：

其中，k=-2.714×10∆L+0.0017∆L+0.76。

3.结论

通过计算分析得到以下结论：

（1）穿钢棒法施工盖梁时，对墩柱混凝土产生的最大压应力值集中在预留穿棒孔口附近。

（2）为避免钢棒对墩柱混凝土产生过大压应力而使墩柱混凝土被压裂，在选择钢棒直径大小时，可参考经验公式（3）进行估算压应力极值f，看是否超限。

（3）实际工程中采用钢棒法时还可制作卸落块紧靠墩柱表面套在钢棒两端配合使用，形成钢棒牛腿结构，以增加钢棒的抗弯能力、稳定性，并方便底模及临时承重结构拆除。