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        蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工過程優(yōu)化研究

        2016-11-18 02:28:01牛萬(wàn)芬
        城市道橋與防洪 2016年7期
        關(guān)鍵詞:蓋梁網(wǎng)片云圖

        王 瓊,牛萬(wàn)芬

        (1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院市政工程設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430050;2.重慶交通大學(xué),重慶市 400074)

        蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工過程優(yōu)化研究

        王 瓊1,牛萬(wàn)芬2

        (1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院市政工程設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430050;2.重慶交通大學(xué),重慶市400074)

        通過Midas-FEA有限元分析系統(tǒng)對(duì)沌口互通式立體交叉主線橋左幅24#蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工過程進(jìn)行優(yōu)化,研究發(fā)現(xiàn)對(duì)大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力筋采用一次張拉方式并且在蓋梁與橋墩交界處添加鋼筋網(wǎng)片,不僅可保證工程質(zhì)量,而且可大幅縮短工期以及設(shè)備占用時(shí)間。

        蓋梁;預(yù)應(yīng)力工程;施工過程;優(yōu)化

        1 工程概況

        武漢市四環(huán)吳家山至沌口互通式立體交叉主線橋橋墩蓋梁共有94座。其中長(zhǎng)懸臂的蓋梁共88座,長(zhǎng)懸臂且非對(duì)稱蓋梁有46座。有88座蓋梁一側(cè)懸挑跨度達(dá)697.5 cm。蓋梁懸挑根部截面為220 cm×250 cm或170 cm×250 cm,端部截面為170 cm×120 cm或220 cm×120 cm。

        按設(shè)計(jì)要求,預(yù)應(yīng)力鋼筋束分三批張拉。為保證施工安全,須待所有鋼束張拉完成并封錨后方可拆除橋墩蓋梁支架。時(shí)間跨度大,資源占用時(shí)間長(zhǎng),要滿足工期要求,需配置10多套模板及支架,資源消耗量大,工期和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)大。施工現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)除了地面作業(yè)外,還需搭設(shè)高支架進(jìn)行高空作業(yè);施工時(shí)不能封閉施工現(xiàn)場(chǎng),須保證兩條縱橫主干道的正常交通,這些情況均為本工程的組織帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了縮短工期,節(jié)省人力物力,需要對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行優(yōu)化研究,尋求一種經(jīng)濟(jì)合理,安全可靠的蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工方案。

        2 數(shù)值建模

        橋梁結(jié)構(gòu)體積龐大,在研究中很少進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn),而采用大型仿真模擬軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力和位移分析,不僅可以在施工前預(yù)知結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)段以及大概破壞情況,還可避免試驗(yàn)中外界因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,達(dá)到對(duì)試驗(yàn)的真實(shí)模擬。Midas-FEA是土木工程專用非線性細(xì)部分析有限元軟件。可用于線性靜力分析、特征值分析、動(dòng)力分析、鋼筋分析、界面非線性分析、接觸分析、非線性靜力分析、裂縫分析等,是一種行之有效的數(shù)值模擬技術(shù)[1,2]。

        本研究采用Midas-FEA有限元分析系統(tǒng),對(duì)沌口互通結(jié)構(gòu)受力最不利的左幅24#蓋梁建立了三維仿真分析模型,有別于傳統(tǒng)數(shù)值分析將鋼筋混凝土蓋梁及墩柱視為一彈性體,分別建立了混凝土單元、普通鋼筋單元及預(yù)應(yīng)力鋼筋單元,最大程度的模擬真實(shí)實(shí)體。設(shè)計(jì)文件給定的張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa。依據(jù)設(shè)計(jì)文件計(jì)算得到:蓋梁自重約G1=3 450 kN,箱梁自重約G2=9 220 kN,二期荷載路面自重約G3=4 710 kN。分析考察在各種設(shè)計(jì)文件工況下蓋梁的整體位移云圖、混凝土應(yīng)力云圖、普通鋼筋應(yīng)力云圖和預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖。其中位移向上↑為+,向下↓為-;主應(yīng)力拉為+,主應(yīng)力壓為-。

        3 所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉數(shù)值分析

        蓋梁施工完成后,所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉,此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。

        3.1數(shù)值模擬結(jié)果

        蓋梁的整體位移云圖見圖1,混凝土應(yīng)力云圖見圖2,普通鋼筋應(yīng)力云圖見圖3,預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖見圖4。

        從以上計(jì)算結(jié)果可知,如將所有預(yù)應(yīng)力筋一次張拉100%的應(yīng)力,并且蓋梁承擔(dān)自重G1時(shí),外表面混凝土的應(yīng)力達(dá)到7.22~8.41 MPa,此時(shí)混凝土早已開裂,裂縫將延伸至蓋梁內(nèi)部。

        圖1 一次張拉整體位移云圖(單位:mm)

        圖2 一次張拉混凝土應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖3 一次張拉普通鋼筋應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖4 一次張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        3.2外表面混凝土及梁內(nèi)混凝土應(yīng)力分布

        為判斷混凝土開裂裂縫深度,需分析了解梁墩交界處混凝土應(yīng)力分布情況。從梁墩交界處向上分六層,從外向內(nèi)分三層,分別為表面、距離表面20 cm處、距離表面40 cm處。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)內(nèi)力的大小變化情況,見圖5~圖7,來(lái)初步判斷裂縫的最大深度。

        圖5 混凝土表面應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        圖7 距離混凝土表面40 cm應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        圖5~圖7縱坐標(biāo)為應(yīng)力(單位MPa),橫坐標(biāo)為水平位移(單位m)。

        由圖5知:表面混凝土應(yīng)力從下至上分布不均勻,最大應(yīng)力分布在4.5~8.5 MPa范圍。由圖6可知:距表面20 cm處,最大應(yīng)力分布在3.5~6.0 MPa范圍。由圖7可知:距表面40 cm處,最大應(yīng)力分布在2.0~3.5 MPa范圍。綜合分析,所有預(yù)應(yīng)力筋一次張拉時(shí),其裂縫深度在30~40 cm。

        因此,如果在蓋梁完成后,一次將所有預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢,不能保證施工質(zhì)量,將會(huì)出現(xiàn)不可接受的裂縫,包括裂縫的深度和寬度,甚至出現(xiàn)蓋梁與支柱交界處混凝土脫落,必須對(duì)施工過程進(jìn)行優(yōu)化。

        4 施工過程優(yōu)化

        經(jīng)分析,混凝土拉應(yīng)力超過混凝土的開裂應(yīng)力主要集中在蓋梁與墩柱的交界處,可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:

        (1)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí),由于提高混凝土強(qiáng)度等級(jí),對(duì)其抗拉強(qiáng)度提高的影響有限,不宜考慮。

        (2)采用抗拉強(qiáng)度高的特種混凝土,如鋼纖維混凝土。

        綜合考慮施工可操作性及成本節(jié)約針對(duì)第(3)方面做深入探討。

        5 加鋼筋網(wǎng)片的優(yōu)化方案

        本研究擬定以下兩種優(yōu)化方案:

        優(yōu)化方案(一):在蓋梁與橋墩連接處加兩層鋼筋網(wǎng)片,兩層鋼筋網(wǎng)片之間距離為20 cm。蓋梁施工完成后,所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉,此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。

        優(yōu)化方案(二):在蓋梁與橋墩連接處加三層鋼筋網(wǎng)片,鋼筋網(wǎng)片外表面到內(nèi)間距分別為15 cm 和20 cm。蓋梁施工完成后,所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉,此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。

        5.1優(yōu)化方案(一):加兩層鋼筋網(wǎng)片數(shù)值分析

        在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片,兩層鋼筋網(wǎng)片的具體布置方法是:每層鋼筋網(wǎng)片,縱向間距16@5.5,橫向間距12@15,兩層間距為20 cm,兩層鋼筋之間設(shè)置直徑12 mm的拉結(jié)筋,橫向間距110 mm,縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后,所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉,此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖8,混凝土應(yīng)力云圖見圖9,普通鋼筋應(yīng)力云圖見圖10,預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖見圖11。

        圖8 加兩層鋼筋網(wǎng)片整體位移云圖(單位:mm)

        圖9 加兩層鋼筋網(wǎng)片混凝土應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖10 加兩層鋼筋網(wǎng)片普通鋼筋應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖11 加兩層鋼筋網(wǎng)片預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        5.2優(yōu)化方案(二):加三層鋼筋網(wǎng)片數(shù)值分析

        在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片,三層鋼筋網(wǎng)片的具體布置方法是:每層鋼筋網(wǎng)片縱向間距16@5.5,橫向間距12@15,從外到內(nèi),一兩層鋼筋網(wǎng)片間距為15 cm,二三層鋼筋網(wǎng)片間距為20 cm,三層鋼筋之間設(shè)置直徑12 mm的拉結(jié)筋,橫向間距110 mm,縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后,所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉,此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖12,混凝土應(yīng)力云圖見圖13,普通鋼筋應(yīng)力云圖見圖14,預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖見圖15。

        混凝土攪拌是使集料均勻的重要手段,在本工程之中,施工人員設(shè)計(jì)拌和系統(tǒng),嚴(yán)格遵守現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的配料單,避免擅自更改配料,致使其出現(xiàn)不均勻問題。首先應(yīng)安裝攪拌機(jī),邊投料邊攪拌,結(jié)合試驗(yàn)過程,對(duì)混凝土的攪拌程序、攪拌時(shí)間進(jìn)行確定,嚴(yán)格按照混凝土攪拌質(zhì)量參數(shù)執(zhí)行。為保障工程質(zhì)量,在攪拌過程中,對(duì)原材料進(jìn)行稱量記錄,每3個(gè)小時(shí)對(duì)其進(jìn)行一次檢查,對(duì)攪拌計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行效驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土攪拌的全過程控制。最后,在攪拌之后,混凝土設(shè)備進(jìn)行坍落度測(cè)定,整個(gè)時(shí)間控制在30min以內(nèi)[3]。

        圖12 加三層鋼筋網(wǎng)片整體位移云圖(單位:mm)

        圖13 加三層鋼筋網(wǎng)片混凝土應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖14 加三層鋼筋網(wǎng)片普通鋼筋應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖15 加三層鋼筋網(wǎng)片預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        5.3混凝土應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力分析

        綜合分析以上模擬結(jié)果,可得一次張拉工況、優(yōu)化方案(一)和優(yōu)化方案(二)的蓋梁與橋墩交界處表面混凝土應(yīng)力與最外層鋼筋應(yīng)力,具體見表1。

        表1 表面混凝土應(yīng)力與最外層鋼筋應(yīng)力表

        為判斷混凝土開裂裂縫深度,分析了解梁墩交界處混凝土應(yīng)力分布情況。從梁墩交界處向上分六層,從外向內(nèi)分三層,分別為表面、距離表面20 cm、距離表面40 cm。

        分析一次張拉工況,優(yōu)化方案(一)及優(yōu)化方案(二)這三種工況下蓋梁與橋墩交界處,從外向內(nèi)的混凝土應(yīng)力值變化情況,見圖5~圖7及圖16~圖21。

        圖16 混凝土表面應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        圖17 距離混凝土表面20 cm應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        圖18 距離混凝土表面40 cm應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        圖19 混凝土表面應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        圖20 距離混凝土表面20 cm應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        圖21 距離混凝土表面40 cm應(yīng)力的分布情況(單位:MPa)

        優(yōu)化方案(一):在蓋梁與橋墩交界添加兩層鋼筋網(wǎng)片,混凝土應(yīng)力見圖16~圖18。

        優(yōu)化方案(二):在蓋梁與橋墩交界添加三層鋼筋網(wǎng)片,混凝土應(yīng)力見圖19~圖21。

        圖16~圖21縱坐標(biāo)為應(yīng)力(單位MPa),橫坐標(biāo)為水平位移(單位m)。

        由前述圖表比較得到,一次張拉工況混凝土應(yīng)力在距離混凝土表面40 cm的面上達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;優(yōu)化方案(一),混凝土應(yīng)力在距離混凝土表面20~40 cm的面上達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;優(yōu)化方案(二),混凝土應(yīng)力在距離混凝土表面20 cm的面上達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

        6 施工各階段中蓋梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

        為了進(jìn)一步比較一次張拉方案與優(yōu)化方案(一)和優(yōu)化方案(二)在橋梁施工各階段中蓋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面處、距離表面20 cm處、距離表面40 cm處應(yīng)力的大小,對(duì)以下七種工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究:

        一次張拉工況:蓋梁自重G1,預(yù)應(yīng)力筋一次張拉,在蓋梁與橋墩交界處不添加鋼筋網(wǎng)片;

        工況(一):蓋梁自重G1,預(yù)應(yīng)力筋一次張拉,在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片;

        工況(二):蓋梁G1+小箱梁G2,預(yù)應(yīng)力一次張拉,在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片;

        工況(三):蓋梁G1+小箱梁G2+二期荷載G3,預(yù)應(yīng)力一次張拉,在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片;

        工況(四):蓋梁自重G1,預(yù)應(yīng)力筋一次張拉,在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片;

        工況(五):蓋梁G1+小箱梁G2,預(yù)應(yīng)力一次張拉,在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片;

        工況 (六):蓋梁G1+小箱梁G2+二期荷載G3,預(yù)應(yīng)力一次張拉,在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片。

        經(jīng)計(jì)算分析各種工況下,混凝土應(yīng)力情況見表2。

        表2 各施工工況下混凝土應(yīng)力 N/mm2

        分析一次張拉工況與工況(一)和工況(四)可知:蓋梁與橋墩交界處加兩層鋼筋網(wǎng)片或加三層鋼筋網(wǎng)片,與不加鋼筋網(wǎng)片情況相比,可以有效的減小混凝土表面及其內(nèi)部的拉應(yīng)力。

        分析工況(二)和工況(五)或工況(三)和工況(六)可知:加三層鋼筋網(wǎng)片效果比加兩層鋼筋網(wǎng)片效果好。

        7 結(jié) 語(yǔ)

        研究通過Midas-FEA有限元分析軟件對(duì)沌口互通結(jié)構(gòu)受力最不利的左幅24#蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工過程進(jìn)行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)蓋梁預(yù)應(yīng)力筋一次張拉并且在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片,可大幅度縮短工期以及設(shè)備占用時(shí)間,節(jié)省人力物力,可為類似工程提供借鑒。

        [1]桂滿樹,高德志,姜毅榮,等.Midas FEA操作指南與基本例題[Z].北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.

        [2]徐芝綸.彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].北京:高等教育出版社,2002.

        U445

        B

        1009-7716(2016)07-0190-05

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.055

        2016-03-11

        王瓊(1985-),男,湖北武漢人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

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