毛 攀, 張 力, 王 沖
(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
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銅陵長江公路大橋鋼吊箱三維有限元分析
毛攀,張力,王沖
(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009)
摘要:鋼吊箱圍堰是為承臺(tái)施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu),其作用是通過吊箱圍堰側(cè)板和底板上的封底混凝土圍水,為承臺(tái)施工提供無水的干處施工環(huán)境。該文對(duì)安徽省銅陵長江公路大橋主1號(hào)橋墩新增承臺(tái)鋼吊箱整個(gè)施工過程中的應(yīng)力狀況及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析,為鋼吊箱的設(shè)計(jì)和施工提供了參考和建議。
關(guān)鍵詞:鋼吊箱;承臺(tái);應(yīng)力狀況;結(jié)構(gòu)變形
鋼吊箱圍堰是為承臺(tái)施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu),其作用是通過吊箱圍堰側(cè)板和底板上的封底混凝土圍水,為承臺(tái)施工提供無水的干處施工環(huán)境[1]。近幾十年來,鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)已逐漸完善并趨于成熟,相比于其他施工方法,鋼吊箱圍堰最為節(jié)省使用材料。因此,國內(nèi)外橋梁深水基礎(chǔ)高樁承臺(tái)的施工,絕大多數(shù)采用了吊箱圍堰的施工方法。鋼吊箱具有施工工期短、水流阻力小,不需沉入河床,材料用量少、經(jīng)濟(jì)合理等諸多優(yōu)點(diǎn)。鋼吊箱圍堰作為橋梁基礎(chǔ)承臺(tái)施工時(shí)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)十分重要,直接關(guān)系到橋梁基礎(chǔ)乃至整座橋梁建設(shè)的成敗[2-4]。本文對(duì)安徽銅陵長江公路大橋主1號(hào)橋墩新增承臺(tái)鋼吊箱整個(gè)施工過程中的應(yīng)力狀況及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析,為鋼吊箱的設(shè)計(jì)和施工提供了參考和建議。
1工程概況
銅陵長江公路大橋位于銅陵市羊山磯下游600 m處,屬國家“八五”計(jì)劃的重點(diǎn)工程。該橋全長2 592 m,其中主橋長1 152 m,橋跨布置80 m+90 m+190 m+432 m+190 m+90 m+80 m,為主跨432 m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。長江自南向北流經(jīng)橋位,大橋軸線方位角 101°33′29″,大橋西側(cè)通往合肥,東側(cè)和銅陵相接,主橋下部墩位采用從合肥至銅陵(由西至東)依次編號(hào),分別為主1~主8號(hào)橋墩。本文研究的是單壁鋼混組合底板結(jié)構(gòu)拉壓式鋼吊箱,平面尺寸為15.600 m×14.000 m,高度為7.000 m,側(cè)板水平分為4塊,高度方向分為3節(jié)。鋼吊箱平面布置圖和立面布置圖分別如圖1和圖2所示。
圖1 鋼吊箱平面布置圖
圖2 鋼吊箱立面布置圖
2鋼吊箱計(jì)算模型
對(duì)于鋼吊箱這種構(gòu)造和受力均較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),采用二維有限元簡(jiǎn)化建模分析的方法進(jìn)行鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),顯然無法對(duì)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能進(jìn)行全面地把握。隨著有限元及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,通過大型有限元分析軟件對(duì)鋼吊箱各個(gè)工況進(jìn)行三維整體建模及分析的方法也有了很大的發(fā)展,有限元分析方法較好地考慮了鋼吊箱構(gòu)件拼裝后的整體受力特性,查找應(yīng)力集中及變形較大部位特別方便,而且在計(jì)算精度方面也基本滿足工程上的要求[5-7]。因此,本文采用 MIDAS/Civil對(duì)拉壓式鋼吊箱進(jìn)行空間分析,三維空間模型如圖3所示。梁?jiǎn)卧? 944個(gè),板單元1 737個(gè),實(shí)體單元1 011個(gè)。
圖3 鋼吊箱圍堰三維模型圖
2.1鋼吊箱底板
拉壓式鋼吊箱底板由底板骨架、底模和水平環(huán)撐組成。底板骨架 I20a 間距 50 cm 組成,為底板受力的主要結(jié)構(gòu);底模由10 mm厚的鋼板組成;水平環(huán)撐為I25a 組成,在鋼板四周形成一圈。為了使鋼吊箱圍堰底板順利穿過2根原有樁基和4根新增樁基,將鋼吊箱圍堰底板鋼板在水平方向分為 2 塊,現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體。
2.2鋼吊箱側(cè)板
拉壓式鋼吊箱側(cè)板為單壁肋板式焊接結(jié)構(gòu),水平方向分為4塊,高度方向分為3節(jié)。由側(cè)模、豎肋、塊間豎肋、水平環(huán)撐、節(jié)間水平環(huán)撐焊接而成。側(cè)模由6 mm鋼板構(gòu)成;豎肋由I22a型鋼組成,間距為 50 cm;塊間豎肋由I22a型鋼組成,布置在豎向兩側(cè);水平環(huán)撐由I25a組成,第二節(jié)和第三節(jié)連接處的節(jié)間水平環(huán)撐由I28a 組成,其他節(jié)間水平環(huán)撐由I25a 組成,水平環(huán)撐間距為1 m左右。
2.3荷載工況組合
根據(jù)拉壓式鋼吊箱圍堰施工作業(yè)情況,將荷載組合分為如下兩個(gè)工況:組合Ⅰ(抽完水后):自重(1.0)+流水壓力(1.4)+靜水側(cè)壓力(1.4)+靜水底壓力(1.4)+向下樁基粘結(jié)力(1.0);組合Ⅱ(承臺(tái)混凝土澆筑后):自重(1.2)+流水壓力(1.4)+靜水側(cè)壓力(1.4)+靜水底壓力(1.0)+承臺(tái)自重(1.4)+承臺(tái)側(cè)壓力(1.4)+向上樁基粘結(jié)力(1.0)。
3拉壓式鋼吊箱有限元計(jì)算分析
工況1:鋼吊箱抽水后荷載作用下梁?jiǎn)卧畲髲潙?yīng)力為153.80 MPa<[σ]=215 MPa,最大剪應(yīng)力為51.686 MPa<[τ]=125 MPa;鋼吊箱抽水后荷載作用下整體板單元最大應(yīng)力值為41.037 MPa<[σ]=215 MPa;鋼吊箱抽水后荷載作用下混凝土底板最大剪應(yīng)力為 1.300 MPa<[σ]=1.71 MPa;鋼吊箱整體最大 變形為8.809 mm 工況2:承臺(tái)澆筑后荷載作用下梁?jiǎn)卧畲髲潙?yīng)力為152.233 MPa<[σ]=215 MPa;最大剪應(yīng)力為51.161 MPa<[τ]=125 MPa;承臺(tái)澆筑后荷載作用下整體板單元最大應(yīng)力值為39.313 MPa<[σ]=215 MPa;承臺(tái)澆筑后荷載作用下混凝土底板應(yīng)力最大剪應(yīng)力為 1.000 MPa<[σ]=1.71 MPa;鋼吊箱整體最大變形為 6.654 mm 工況1、2的主要計(jì)算結(jié)果如圖4所示。 圖4 工況1、2主要計(jì)算結(jié)果 從計(jì)算結(jié)果來看,鋼吊箱在工況1階段的整體位移是整個(gè)施工過程的最大豎向位移,是鋼吊箱的變形的主要控制階段?;炷恋装逶诠r1階段剪應(yīng)力最大,因此設(shè)計(jì)階段對(duì)于底板厚度與材料的選擇應(yīng)該根據(jù)這個(gè)工況的具體情況計(jì)算后選擇,盡量在節(jié)省材 料的前提下采取措施加大底板的抗剪應(yīng)力。從上述工況的分析計(jì)算結(jié)果可知,鋼吊箱結(jié)構(gòu)整體在幾種主要工況下的強(qiáng)度和剛度都能滿足要求,也即所設(shè)計(jì)的鋼吊箱結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件截面能滿足要求。 4結(jié)束語 (1) 鋼吊箱是構(gòu)造和受力變形比較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),運(yùn)用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)其進(jìn)行三維有限元建模計(jì)算分析,能夠全面地得出鋼吊箱結(jié)構(gòu)各個(gè)工況的應(yīng)力應(yīng)變情況,為鋼吊箱設(shè)計(jì)施工提供很大的參考和指導(dǎo)作用。 (2) 本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)鋼吊箱各個(gè)施工階段的應(yīng)力狀況和結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了分析,得到鋼吊箱在工況一抽水時(shí)出現(xiàn)最大應(yīng)力153.803 MPa,及最大位移8.809 mm,滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求,結(jié)構(gòu)處于安全的狀態(tài)。 〔參考文獻(xiàn)〕 [1]秦惠民,葉政青.深基礎(chǔ)施工實(shí)例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1992. [2]歐陽效勇,任回興,徐偉.橋梁深水樁基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2006. [3]歐陽效勇,任回興,徐偉.橋梁深水基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)——蘇通大橋南塔基礎(chǔ)工程施工實(shí)踐[M].北京:人民交通出版社,2006. [4]張鴻,劉先鵬.特大型橋梁深水高樁承臺(tái)基礎(chǔ)施工技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006. [5]孫晏,徐偉.蘇通大橋6號(hào)墩鋼吊箱施工階段有限元分析[J].施工技術(shù),2005,34(1):12-14. [6]駱艷斌,徐偉,宋燦.不同形狀鋼吊箱動(dòng)力特性比較分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,2006,22(3):41-45,27. [7]黃鴻祺.深水墩鋼吊箱圍堰施工過程有限元分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007. [8]JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]. [9]JTJ 024-85,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. [10]GBS 0009-2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 收稿日期:2015-12-02;修改日期:2016-01-12 作者簡(jiǎn)介:毛攀(1992-),男,湖北黃岡人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生. 中圖分類號(hào):U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-5781(2016)01-0116-03