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        基于Midas FEA分析的預(yù)制U形節(jié)段梁吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

        2018-11-09 07:06:16何曉光
        城市道橋與防洪 2018年10期

        劉 芳,何曉光

        (上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司,上海市 200433)

        1 概述

        1.1 預(yù)制U形節(jié)段梁結(jié)構(gòu)特征

        預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁是一種新型下承式預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu),由道床板、主梁及端橫梁組成,屬于一種復(fù)雜的空間梁板組合結(jié)構(gòu)。其傳力體系為:車輛荷載作用在橋面上,荷載通過橋面板(橫梁)傳遞給主梁,主梁受彎扭作用,而且下端承受豎向的吊拉力。在施工吊裝過程中,U形梁只承受自重荷載作用。

        該項(xiàng)目所研究預(yù)制雙線U形梁有兩腹板和三腹板兩種形式,本文僅對(duì)兩腹板節(jié)段梁進(jìn)行研究。

        兩腹板梁:梁長29.4 m,梁高2.2 m,頂寬9.928 m,底寬7.706 m;橫斷面采用兩腹板的形式,支承采用橫梁雙點(diǎn)支承。每跨梁由10片節(jié)段梁組成,每片約40 t,如圖1、圖2所示。

        圖1 雙腹板預(yù)制U形梁節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:mm)

        圖2 雙腹板預(yù)制U形梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(中間節(jié)段)

        1.2 吊裝工況

        預(yù)制節(jié)段U形梁在拼接施工過程中將經(jīng)歷從起吊到懸吊、從懸吊到起吊的多次轉(zhuǎn)換。

        根據(jù)節(jié)段拼裝的施工技術(shù)方案,節(jié)段的起吊工況存在以下幾種情況:

        (1)將節(jié)段從模板中吊起,并放置到堆場。

        (2)將節(jié)段在堆場內(nèi)被吊起轉(zhuǎn)運(yùn)。

        (3)將節(jié)段從堆場內(nèi)吊起并裝車。

        (4)將節(jié)段從載運(yùn)車輛上吊起,并懸掛在架橋機(jī)上。

        (5)拼接節(jié)段時(shí),再次吊起單個(gè)節(jié)段涂抹膠黏材料,并拼接、懸掛。

        由于U形梁抗扭能力較箱形節(jié)段梁更弱,且要經(jīng)歷不同的吊裝工況,吊點(diǎn)的設(shè)置與結(jié)構(gòu)安全密切相關(guān),所以對(duì)于不同的梁形,應(yīng)該選擇合理的起吊位置和起吊方式。

        2 力學(xué)模型建立

        2.1 分析方法

        對(duì)于吊點(diǎn)位置的計(jì)算分析,有傳統(tǒng)手算或簡化為桿單元進(jìn)行線性有限元分析計(jì)算。但因?yàn)閁形梁屬于薄壁空間受力體,所以擬采用空間塊單元有限元法進(jìn)行建模計(jì)算。這樣可以更加詳細(xì)地仿真出在吊裝過程中每個(gè)具體單元的受力情況,更好地對(duì)不同吊點(diǎn)組合及不同吊點(diǎn)位置組合的吊裝工況進(jìn)行受力分析和模擬,有助于選擇出最好的吊裝方案。經(jīng)比較采用Midas FEA進(jìn)行建模計(jì)算。

        2.2 建立模型

        根據(jù)對(duì)稱性,CAD中取1/2截面圖形存為DXF文件,導(dǎo)入軟件。進(jìn)行手動(dòng)網(wǎng)絡(luò)劃分,盡量為均等的四邊形,主梁上緣局部為三角形。延伸網(wǎng)格成為3D模型,多為分析較精確的六面體,少數(shù)為五面體。兩腹板共劃分為14 480個(gè)單元體,三腹板劃分為7 120個(gè)單元體。

        在“分析”下拉菜單里設(shè)置材料參數(shù)和分析對(duì)應(yīng)規(guī)范。該項(xiàng)目使用C55型號(hào)混凝土,彈性模量取3.55×1010N/m2,質(zhì)量密度取 25 000 N/m3,在軟件設(shè)置中選取中國交通部公路標(biāo)準(zhǔn)。

        在“分析—邊界條件”選項(xiàng)下設(shè)置約束條件。該項(xiàng)目在模型相應(yīng)預(yù)留吊孔位置設(shè)置鉸接約束,用以模擬吊點(diǎn)約束力的作用。

        2.3 荷載及分析工況

        吊裝工況下唯一只承受自重荷載,考慮到會(huì)有起吊加速度及吊裝過程中的不穩(wěn)定情況存在,自重因子取用1.5。該方案選擇線性靜態(tài)分析。

        根據(jù)吊點(diǎn)設(shè)置在腹板和底板兩種思路進(jìn)行假設(shè)和驗(yàn)算。吊點(diǎn)位置和數(shù)量結(jié)合實(shí)際施工便利,根據(jù)對(duì)稱原則進(jìn)行假設(shè)。經(jīng)初步篩選后選取以下工況進(jìn)行建模分析,見表1。

        表1 分析工況

        3 檢算原則

        檢算報(bào)告按照下列規(guī)范進(jìn)行施工階段檢算:《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.3—2005)、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2002)。

        槽形梁在施工階段應(yīng)進(jìn)行混凝土抗裂驗(yàn)算,其控制指標(biāo)見表2。

        檢算原理:讀取運(yùn)算結(jié)果,在不利處——跨中截面或主梁與底板結(jié)合處,讀取上下表面單元應(yīng)力值。積分獲得該處軸力彎矩符合上述規(guī)范內(nèi)相應(yīng)規(guī)定,并同時(shí)也能滿足表2中結(jié)構(gòu)應(yīng)力限值規(guī)定,即可判定結(jié)構(gòu)受力安全合理。

        表2 槽形梁施工階段控制參數(shù)

        4 吊裝工況檢算

        4.1 腹板吊裝

        在腹板翼緣內(nèi)側(cè)選擇對(duì)稱四點(diǎn)進(jìn)行吊裝建模分析,如圖3所示,并通過調(diào)整h值來了解槽形梁在不同吊裝方案比選下的受力性能,確定安全應(yīng)力范圍。

        圖3 預(yù)留吊孔位置圖

        通過對(duì)h取不同數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算,歸納總結(jié)出槽形梁受力規(guī)律如下。

        4.1.1 產(chǎn)生最大應(yīng)力位移的吊點(diǎn)位置

        h=0.75 m或0.9 m時(shí),各項(xiàng)應(yīng)力及最大豎向位移指標(biāo)有最大值。以h=0.75 m為例,如圖4、圖5所示。

        圖4 模型應(yīng)力云圖示例

        圖5 連接吊點(diǎn)支點(diǎn)反力圖示例

        從模型云圖中可讀取,底板跨中位置最大豎向位移為1.66 mm,最大橫橋向正應(yīng)力為2.07 MPa,最大縱橋向正應(yīng)力為0.6 MPa。滿足規(guī)范要求。

        4.1.2 產(chǎn)生最小應(yīng)力位移的吊點(diǎn)位置

        h取0.15 m時(shí),各項(xiàng)應(yīng)力及最大豎向位移指標(biāo)有最小值。

        通過模型云圖讀取,底板跨中位置最大豎向位移為1.7 mm,最大橫橋向正應(yīng)力為2.65 MPa,最大橫橋向正應(yīng)力為0.7 MPa。滿足規(guī)范要求。

        4.1.3 吊點(diǎn)位置選取的最佳范圍

        通過對(duì)h由0~1.5 m的其他不同取值,得知0.45 m<h<1.05 m時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)變化極小,底板最大橫向及縱向正應(yīng)力變化均不超過0.005 MPa,豎向最大位移變化在0.005 mm左右。各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均較小且變化幅度極小,應(yīng)力水平均勻。建議在此最佳范圍內(nèi)選取吊點(diǎn)。

        4.1.4 驗(yàn)算結(jié)論

        通過對(duì)兩腹板進(jìn)行模擬吊裝建模運(yùn)算,可知以下幾點(diǎn):

        (1)經(jīng)h取任何值時(shí),應(yīng)力及位移值均不超過規(guī)范范圍,故應(yīng)力對(duì)吊點(diǎn)縱向位置不敏感。

        (2)h取0.75 m或0.9 m時(shí),是最佳吊點(diǎn)位置。

        4.2 底板吊裝

        通過以上驗(yàn)算,得知吊點(diǎn)對(duì)縱向位置,即h的變動(dòng)不敏感,所以這里僅對(duì)不同吊點(diǎn)數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

        4.2.1 采用“四點(diǎn)吊”底板

        在底板位置選取四點(diǎn)進(jìn)行分析,假定h取0.72 m,預(yù)留孔平面位置如圖6所示。

        圖6 “四點(diǎn)吊”預(yù)留吊孔位置平面圖(單位:mm)

        最大位移為2.4 mm,最大順橋向單元正應(yīng)力為2.6 MPa,最大橫橋向單元正應(yīng)力為0.33 MPa。各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

        4.2.2 采用“八點(diǎn)吊”底板

        增加預(yù)留孔數(shù)目并根據(jù)以上檢算結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn),盡量均衡合理布置,如圖7所示。

        圖7 “八點(diǎn)吊”預(yù)留吊孔位置平面圖(單位:mm)

        結(jié)構(gòu)最大位移為1.16 mm,最大橫橋向單元正應(yīng)力為2 MPa,最大縱橋向單元正應(yīng)力為0.3 MPa。各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

        4.2.3 驗(yàn)算結(jié)論

        近年來,隨著不斷改善人們的生活質(zhì)量,逐漸的改變了人們的生活及飲食習(xí)慣,使冠心病的發(fā)生率有所升高,同時(shí),老齡化速度加快、延長人均壽命又進(jìn)一步增加了老年冠心病患者的數(shù)量,尤其是65歲以上高齡患者[7]。目前,臨床治療冠心病患者時(shí),一種有效手段為經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療,有效的降低了該疾病的死亡率,但行經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療的最終目標(biāo)不僅僅是延長患者生存期,還要把患者預(yù)后及生活質(zhì)量改善[8]。大量研究發(fā)現(xiàn),冠心病患者行經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療后,在術(shù)后1年內(nèi)容易發(fā)生不良心血管事件,極大的影響患者預(yù)后,而不良心血管事件的發(fā)生除了相關(guān)于患者自身的飲食習(xí)慣、生活習(xí)慣外,還與冠心病危險(xiǎn)因素密切相關(guān)[9]。

        對(duì)上面兩個(gè)驗(yàn)算進(jìn)行總結(jié):

        (1)以上兩方案均能滿足規(guī)范要求,“八點(diǎn)吊”方案較“四點(diǎn)吊”方案結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小,結(jié)構(gòu)受力更為均勻。

        (2)“八點(diǎn)吊”方案中,中間四個(gè)吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)支反力小于外側(cè)吊點(diǎn),并且最大單元正應(yīng)力出現(xiàn)在腹板底部與底板交界處,在施工過程中應(yīng)注意此受力情況;如需對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整,可略向外側(cè)(腹板方向)進(jìn)行微調(diào)。

        (3)吊底板方案中只有一組預(yù)留孔,起吊懸吊轉(zhuǎn)換過程中,因著力點(diǎn)有轉(zhuǎn)換,對(duì)于底板吊孔處會(huì)略有受力分配的轉(zhuǎn)換,對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的影響較小,可以忽略。

        5 局部抗沖切及抗剪驗(yàn)算

        5.1 抗沖切驗(yàn)算

        以兩腹板吊腹板工況作為最不利抗沖切算例,如圖8所示。

        圖8 起吊孔處抗沖切位置示意圖(單位:mm)

        參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.5.1條:

        取 σPc,m=0,26×9 800/4≤0.7×1.96×1 320×330成立。

        故在不考慮箍筋情況下,已能滿足吊裝工況的抗沖切要求。所以在其他吊裝工況中均能滿足抗沖切要求。

        5.2 抗剪驗(yàn)算

        參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.3條:

        26×9 800/2≤0.7×1.278×1.96×3 000×330成立。故在不考慮箍筋情況下,已滿足抗剪要求。

        在吊孔構(gòu)造中,在預(yù)留孔內(nèi)布置一層鋼筋網(wǎng)墊片,并且有箍筋構(gòu)造等加固措施,可充分滿足抵抗局部集中壓應(yīng)力。

        5.3 起吊加速度下的驗(yàn)算

        在模型設(shè)置中,充分考慮了起吊加速度及吊裝過程中的不穩(wěn)定狀態(tài),作為唯一恒載的重力因子取為1.5,即相當(dāng)于已經(jīng)可以承擔(dān)相當(dāng)于0.5g=4.9 m/s2的起吊加速度。

        a/2=v/t,假設(shè)一般吊車運(yùn)行時(shí)平均速度為5 m/min。

        最快可允許在0.03 s之內(nèi)達(dá)到此速度,完全滿足正常施工需求。

        6 特殊工況下的驗(yàn)算

        以上運(yùn)算中,兩腹板“四點(diǎn)吊”腹板方案梁體應(yīng)力水平較大,局部吊點(diǎn)受力也較大,故以該案例進(jìn)行下列特殊不利工況的驗(yàn)算。

        6.1 吊架不均勻受力工況(三點(diǎn)吊)

        考慮到四點(diǎn)吊裝在施工過程中會(huì)出現(xiàn)受力控制不均,導(dǎo)致三點(diǎn)受力狀況,故增加三點(diǎn)受力工況分析。

        h取0.75 m,吊點(diǎn)平面布置情況如圖9所示。

        圖9 留吊孔位置平面圖

        圖10~圖12顯示了底板側(cè)邊最大位移達(dá)5.8 mm,并且腹板底部內(nèi)側(cè)最大順橋向單元正應(yīng)力為6.3 MPa,最大橫橋向單元正應(yīng)力也達(dá)1.46 MPa。

        圖10 單元豎向位移云圖

        圖11 橫橋向單元應(yīng)力云圖

        圖12 縱橋向單元應(yīng)力云圖

        分析結(jié)果顯示,三吊點(diǎn)情況應(yīng)力值超出上述規(guī)范限制。故在施工過程中應(yīng)控制好受力平衡,避免出現(xiàn)三點(diǎn)受力情況。

        6.2 受力變形指標(biāo)控制檢算

        在四點(diǎn)吊裝工況下(h=0.75 m),通過添加強(qiáng)迫位移的方式,多次運(yùn)算,得知在強(qiáng)迫位移不大于-2.5 mm的情況下,可以保證結(jié)構(gòu)橫橋向最大正應(yīng)力不大于3 MPa。即在起吊過程中,應(yīng)控制四吊點(diǎn)位置豎向位移誤差在2.5 mm之內(nèi),才可以保證結(jié)構(gòu)安全。

        7 結(jié)語

        (1)吊點(diǎn)的橫橋向位置的變動(dòng)對(duì)應(yīng)力及位移有較明顯的影響,在順橋向方向上調(diào)整吊點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)力應(yīng)變位移影響不大。建議在距梁邊0.45~1.05 m最佳范圍內(nèi)設(shè)置吊點(diǎn)。

        (2)起吊過程中應(yīng)使四點(diǎn)均勻受力,避免三點(diǎn)起吊狀況,并應(yīng)控制使四吊點(diǎn)處豎向位移誤差在2.5 mm以內(nèi)。

        (3)吊底板方案中,內(nèi)側(cè)支點(diǎn)反力小于外側(cè)。如有施工需要,吊點(diǎn)位置可向外側(cè)略移。

        (4)為避免起吊過程中梁體發(fā)生不穩(wěn)定晃動(dòng),應(yīng)盡量平緩起吊。

        (5)吊腹板方案中,如若要使各點(diǎn)均勻受力,可將吊具盡量拆零,保持體系柔性。

        (6)吊底板方案中,吊具與底板吊孔剛性連接。應(yīng)注意保持起吊連接點(diǎn)處于較居中位置,以使底板吊扣連接處受力分配盡量均勻。

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