基于有限元法的T形刚构桥施工过程中主梁状态分析

黄国利,郑恒斌,覃文倩

(1.广州市市政工程试验检测有限公司,广东 广州 510520;2.华南农业大学水利与土木工程学院,广东 广州 510642;3.华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640)

采用挂篮的悬臂浇筑法是目前大跨度预应力混凝土梁桥上部结构的常用施工方法,其以下部结构为竖向承重体系,在桥墩两侧通过移动挂篮提供工作平台,对称、平衡地逐节段悬臂浇筑混凝土梁体,待节段达到预定的龄期后张拉预应力,完成节段梁体施工,由此循环施工直至主梁合拢。在梁桥的悬浇施工过程中,涉及多个施工工序及结构体系转换,结构受力状态较为复杂,并且随着悬臂长度的增加,结构的安全风险较为突出,对大跨度梁桥开展施工过程仿真分析既是复核设计、安全施工的需要,亦是施工控制的理论基础工作[1-4]。

以广州市东部固体资源再生中心环一路高架桥主桥2×70 m预应力混凝土刚构桥为背景,基于有限元法对桥梁结构进行合理离散,采用专业分析软件midas Civil建立了其空间梁单元分析模型。通过对桥梁施工全过程进行模拟仿真,计算分析了桥梁各施工阶段的应力和位移,对桥梁的结构状态进行合理评估,以期为桥梁的安全施工奠定理论基础。

1 工程概况

环一路高架桥为广州市东部固体资源再生中心配套工程,其中主桥为2×70 m预应力混凝土T形刚构桥,桥宽8.5 m。主桥上部结构箱梁为单箱单室直腹板断面,混凝土强度等级为C55,顶面宽度为8.5 m,悬臂为1.75 m,底面宽度为5.0 m。主梁梁高采用二次抛物线变化,变化范围为悬浇段末端至墩身外侧,其中根部梁高H根=7.5 m,跨中及边跨端部梁高H中=2.5 m。主桥箱梁共有18种梁段,其中0#梁段长10 m为立托架现浇,1#～15#梁段从根部至跨中分别为6×3.5 m、9×4.0 m采用挂篮悬臂现浇施工,最大悬臂长度为62 m,16#梁段长2 m为现浇合拢段,其余梁段为边跨现浇段长5.92 m采用支架施工。

主梁按全预应力构件设计,双向预应力体系,包括纵向预应力和竖向预应力,纵向顶板束采用15股Φs15.2 mm高强低松弛钢绞线,纵向腹板束采用17股Φs15.2 mm 高强低松弛钢绞线;底板束采用15股Φs15.2 mm 高强低松弛钢绞线,合拢顶板束采用17股Φs15.2 mm 高强低松弛钢绞线,钢绞线fpk=1 860 MPa。除底板束、合拢顶板束钢束为单端张拉外,其余均为两端张拉。主墩为钢筋混凝土正方形空心墩,墩高为19.6 m,混凝土强度等级为C40,墩身截面尺寸为500 cm×500 cm,除墩顶2 m、墩底1.5 m为实心段外其余为空心段。

2 有限元模型的建立

有限单元法是目前桥梁结构分析领域的主流数值计算方法,其核心在于把整体结构离散为有限个单元,通过单元的平衡和变形协调条件,再将离散单元集合还原成结构[5]。基于该法将桥墩及主梁离散为考虑6个自由度的空间梁单元,结构的单元离散除主墩及主梁墩顶受力复杂区域需做单独处理外,其余均依据主梁的施工节段划分,全桥有60个节点、58个单元,其中主梁51个节点、50个单元,主墩9个节点、8个单元。为简化分析考虑,模型中未考虑承台基础对结构的影响而将墩底固结,梁端通过约束节点位移的方式模拟永久支座。

依据桥梁设计施工图,全桥共划分为55个施工阶段,其中每个挂篮悬臂浇筑节段按照挂篮就位、混凝土浇筑、预应力张拉三个施工阶段模拟,节段混凝土浇筑养护7 d后进行预应力张拉。施工过程仿真分析中分别考虑了结构自重、预应力荷载、混凝土收缩徐变、挂篮荷载及合拢段配重等荷载。

3 主梁位移结果及分析

3.1 悬浇过程中结果及分析

为详细分析施工过程中主梁挠度在不同施工阶段的变化情况,统计及绘制了悬臂浇筑阶段不同节段混凝土浇筑完成后,主梁悬臂端部最大下挠值趋势图及主要施工阶段的主梁竖向位移沿梁长度方向的趋势图详见图1～图2所示,限于篇幅悬浇施工中仅列出了典型阶段中长悬臂10#块及最大悬臂15#块浇筑及张拉的结果,分析可知:

图1 不同节段浇筑完成悬臂端部最大挠度变化图

图2 悬臂浇筑主要施工阶段主梁竖向挠度图

(1)随着悬浇施工的进行,主梁悬臂端点处的最大下挠量在不同悬臂长度阶段的变化规律不尽相同,1#～6#块为短悬臂阶段,梁端最大下挠量随悬臂长度的增加增长较为缓慢,由1#块浇筑后的-0.2 mm缓慢增长至6#块的-2 mm;7#～9#块为中长悬臂阶段,在该阶段最大下挠量随悬臂长度的增加增长较快,基本呈线性关系;10#～15#块为长悬臂阶段,在该阶段最大下挠量随悬臂长度的增加急剧增长,由10#块浇筑后的-9.4 mm急剧增大至15#块的-44.3 mm,上述规律表明由于长悬臂施工阶段的梁端下挠量较大,因此长悬臂阶段是该桥悬浇法施工中线型控制的关键环节。

(2)预应力的施加对主梁的竖向位移影响大。在中长悬臂施工阶段的10#块,通过预应力的张拉悬臂梁端最大挠度由张拉前的-9.4 mm上拱至1.4 mm,上拱量为10.8 mm,整个主梁竖向挠度线型由下挠变成了略微上拱;最大悬臂的15#块通过预应力的张拉,悬臂梁端最大挠度由张拉前的-44.3 mm减少至-29.1 mm,上拱量为15.2 mm,最大挠度减少了34%,预应力张拉完成后主梁线型呈“W”型。上述结果表明节段预应力的施加能够较为有效地抵消梁段混凝土自重对挠度的影响,甚至改变主梁的挠度线型,现场施工时受诸多因素影响,实际预应力损失往往大于理论值,必要时可通过超张拉的方式提高结构中的有效预应力。

3.2 合拢完成后的数据及分析

合拢完成后主要施工阶段下主梁沿梁长度方向的竖向位移如图3所示,其中纵向长度0 m的位置为墩支撑中心线位置。分析可知:桥梁合拢后在合拢段预应力的作用下,主梁整体略微上拱,二期铺装后主梁整体呈下挠趋势,最大下挠值为6.8 mm位于13#块端部,十年收缩徐变完成主梁整体继续下挠,最大下挠值增大至11.3 mm,亦位于13#块端部。由于成桥后的桥梁跨径较小,由收缩徐变导致的长期下挠值偏小,最大长期下挠值仅为4.5 mm,根据工程经验由收缩徐变导致的实际长期下挠值均大于理论值,建议在后期预拱度设置时遵循“宁高勿矮”的原则,在考虑经验系数的基础上适当增加桥梁预拱值。

图3 合拢后主要施工阶段主梁竖向挠度图

4 主梁应力结果及分析

4.1 悬臂浇筑过程中关键断面数据分析

(1)墩顶断面。

T形刚构桥仅有一个主墩,因此悬浇法施工中仅涉及一次体系转换。在主梁合拢前,结构体系为静定结构,随着悬臂长度的增大,在自重产生的负弯矩以及顶板预应力的作用下,悬臂根部区域为应力的最不利区域。由统计得到的悬臂根部主梁顶、底板应力随各节段浇筑、张拉的变化趋势如图4所示,分析可知:随着悬浇施工节段的增加,主梁悬臂根部顶、底板压应力总体呈锯齿状增长,对顶板而言,其压应力在节段浇筑阶段减少而张拉阶段增大,顶板压应力增长主要是各节段施加的预应力效应所致,在14#块张拉完成后顶板压应力达到最大值为12.4 MPa;对底板而言,其压应力增长随浇筑、张拉阶段的趋势顺序与顶板相反,即节段浇筑时底板压应力增大,节段张拉时压应力减小,这是由于梁底压应力的增大主要是由各节段自重在悬臂根部产生的负弯矩所致,在15#块浇筑完成后底板压应力达到最大值为8.8 MPa。

图4 悬臂根部主梁顶、底板应力随悬浇施工节段变化图

(2)腹板变厚段。

主梁7#、8#梁段为腹板厚度变化过渡段,过渡段全长为8 m,单节梁段长为4 m,腹板厚度由梁悬臂根部的70 cm线性渐变至悬臂端部的50 cm。环一桥主桥悬浇施工中最大悬臂长为62 m,腹板变厚段距离主墩中心为26～34 m范围,腹板变厚段处在距离主墩中心26～34 m区间,由于7#、8#节段距离墩中心相对较近,随着悬臂长度的增加结构自重在该区间产生的弯矩相对较大,同时叠加腹板变窄对截面削弱的影响,导致梁段受力较为不利,因此除主梁悬臂根部外腹板变厚段需单独分析。经计算得到的7#、8#节段顶、底板应力随各节段浇筑、张拉的变化趋势图如图5所示,分析该图可知:

图5 主梁腹板变厚段顶、底板应力随悬浇施工节段变化图

(1)随着悬臂施工的进行,7#、8#块顶、底板应力随施工工况的变化趋势同悬臂根部顶、底板的应力一致,即随悬臂长度的增加压应力呈锯齿形增长,其中7#块、8#块顶板压应力均在14#张拉完成时达到最大值均为-10.5 MPa,7#块、8#块底板压应力在15#浇筑完成时达到最大值分别为-9.2 MPa和-9.3 MPa。

(2)两节段在悬浇施工过程中顶、底板始终处于受压状态,前述最大压应力小于规范限值[6],表明受力较为不利的腹板变厚段在悬浇施工中应力安全。

(3)对比两节段顶、底板的压应力极值,8#块的应力较7#块的更为不利,因此8#块是桥梁悬浇施工过程中腹板变厚段的应力最不利节段。

4.2 最大双悬臂及成桥状态主梁应力结果分析

在最大双悬臂阶段(15#块张拉完成工况),梁顶的最大压应力为-12.3 MPa,梁顶无拉应力,梁底的最大压应力为-9.0 MPa,最大拉应力为0.2 MPa,主梁的最大拉、压应力均满足规范[6]限值的要求,表明悬浇施工过程中主梁应力安全。

主梁合拢后结构由静定结构转换成超静定结构,结构的受力状态与转换前发生了较大的变化,十年收缩徐变完成,主梁顶、底板的应力在梁长度方向分布均匀,其中梁顶应力处于-1.5～-11.0 MPa,梁底应力处于-2.8～-8.9 MPa,主梁全截面受压,具有较大的应力安全储备。

5 结论及建议

(1)浇筑10#～15#块的长悬臂施工阶段,悬臂端下挠值随悬臂长度增加急剧增长,该阶段是悬浇法施工中线型控制的关键环节。

(2)节段预应力的施加能够较为有效地抵消梁段混凝土自重对挠度的影响,考虑到实际预应力损失往往大于理论估计值,建议必要时通过超张拉的方式提高结构中的有效预应力。

(3)理论计算的长期下挠值偏小仅为4.5 mm,建议在后期预拱度设置时遵循“宁高勿矮”的原则,在考虑经验系数的基础上适当增加桥梁预拱值。

(4)悬浇施工中的主梁的拉、压应力均满足规范限值的要求,悬浇施工过程中结构安全;桥梁成桥状态下,主梁顶、底板压应力延梁长度方向分布均匀,主梁全截面受压,具有较大的应力安全储备。

(5)主梁腹板变厚段在主梁悬浇施工中受力较为不利,根据应力极值结果建议在8#块设置应力测试断面,以监测实际施工过程中该区域的应力状态。