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        鋼-混組合梁斜拉橋懸臂施工過程精細(xì)化分析

        2021-07-27 07:14:30王子豪
        廣東建材 2021年7期
        關(guān)鍵詞:鋼梁剪力云圖

        王子豪

        (廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司)

        0 引言

        鋼-混組合梁的特點(diǎn)在于能夠在使用中充分發(fā)揮鋼材與混凝土的材料性能優(yōu)勢(shì)[1],與此同時(shí),通過預(yù)制拼裝的方式進(jìn)行施工能夠大幅度提高施工效率,具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),因而我國(guó)在近20 年里對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了大量的研究應(yīng)用,并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平[1]。

        現(xiàn)代組合梁斜拉橋施工方式多采用懸臂施工法,此過程中,施工步驟繁雜,且主梁會(huì)出現(xiàn)多次體系轉(zhuǎn)換,鋼梁、混凝土板及連接二者的剪力釘內(nèi)力狀態(tài)復(fù)雜。為了更好地控制施工質(zhì)量,對(duì)懸臂施工過程中主梁各部分結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行探究是有必要的。

        1 工程概況

        潮汕大橋主橋采用獨(dú)塔雙索面組合梁斜拉橋,橋跨布置為(205+205)m,橋長(zhǎng)410m,橋?qū)?5m。

        全橋采用可轉(zhuǎn)換半漂浮體系,在主塔處設(shè)置球形鋼支座、橫向彈塑性鋼阻尼、縱向彈塑性鋼阻尼,在過渡墩處設(shè)置球形鋼支座,橫向彈塑性鋼阻尼、縱向粘滯阻尼器。索塔采用A 型索塔,索塔兩側(cè)各布置15 對(duì)斜拉索。主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結(jié)合橋面板的整體斷面,全寬35m,梁高3.2m(邊主梁中心處)。其中鋼主梁部分包括縱梁、橫梁、小縱梁和錨拉板等組成;橋面板支承在由鋼主梁的邊主梁、小縱梁及橫梁組成的梁格系上,主梁截面示意如圖1 所示。

        圖1 主梁截面示意圖

        2 計(jì)算模型

        2.1 空間梁?jiǎn)卧P?/h3>

        通過MIDAS CIVIL 軟件建立潮汕大橋梁?jiǎn)卧邢拊P瓦M(jìn)行施工過程分析模型,并采用ANSYS 軟件針對(duì)施工過程中最大懸臂端五個(gè)節(jié)段建立局部實(shí)體有限元模型,采用生死單元法進(jìn)行施工過程分析。其中,鋼梁模擬采用SHELL181 板殼單元,混凝土橋面板采用SOLID95 實(shí)體單元,剪力釘在X(順橋向)、Y(橫橋向)、Z(豎向)三個(gè)方向上采用COMBIN14 彈簧單元模擬。由于施工過程中結(jié)構(gòu)體系及荷載基本橫向?qū)ΨQ,因此本模型采用建立1/2 結(jié)構(gòu)模型并施加對(duì)稱約束的形式進(jìn)行模擬,總單元數(shù)為320182,實(shí)體有限元模型基本情況分別如圖2所示。

        圖2 空間實(shí)體有限元模型

        2.2 結(jié)構(gòu)材料

        主梁鋼材為Q370qD;橋面混凝土板采用C60,普通鋼筋為HRB400 熱軋帶肋鋼筋;剪力釘材料為ML15,直徑為22mm。

        2.3 邊界條件

        對(duì)11#號(hào)節(jié)段近橋塔向根部橫斷面建立剛域,施加UX(縱橋向)、UZ(豎向)及各向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束,并根據(jù)Midas 模型給于剛域時(shí)變的ROTY(豎彎)轉(zhuǎn)動(dòng)位移;對(duì)全部節(jié)段橋梁中心線處縱斷面施加UY(橫橋向)平動(dòng)約束。

        3 主梁施工階段分析

        3.1 施工工況設(shè)置

        對(duì)潮汕大橋最外側(cè)11#、12#、13#、14#、15# 五個(gè)節(jié)段的施工過程進(jìn)行了模擬,為重點(diǎn)考察15#節(jié)段施工時(shí)14#節(jié)段的受力狀況,15#節(jié)段施工過程的模擬相對(duì)更為細(xì)化,總共20 個(gè)計(jì)算工況,詳細(xì)內(nèi)容如下。

        工況1:11# 鋼梁激活,11# 索初張拉,索力為1374.7kN。

        工況2:11#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

        工況3:11#混凝土板激活,鈍化濕重荷載,11#索二次張拉,索力為4245.1kN。

        工況4:吊機(jī)移至11#梁段,12#鋼梁激活,12#索初張拉,索力為1449.8kN。

        工況5:12#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

        工況6:12#混凝土板激活,鈍化濕重荷載,12#索二次張拉,索力為4528.9kN。

        工況7:11#至12#混凝土板預(yù)應(yīng)力激活。

        工況8:吊機(jī)移至12#梁段,13#鋼梁激活,13#索初張拉,索力為1519.4kN。

        工況9:13#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

        工況10:13#混凝土板激活,鈍化濕重荷載,13#索二次張拉,索力為4793.3kN。

        工況11:吊機(jī)移至13#梁段,14#鋼梁激活,14#索初張拉,索力為1555.2kN。

        工況12:14#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

        工況13:14#混凝土板激活,鈍化濕重荷載,13#索二次張拉,索力為5051.9kN。

        工況14:13#至14#梁段混凝土板預(yù)應(yīng)力激活。

        工況15:吊機(jī)移至14#梁段,15#主梁吊裝過程,起吊一半鋼梁。

        工況16:15#主梁吊裝拼接完成,吊機(jī)卸載。

        工況17:15#索初張拉,索力為1598.1kN。

        工況18:吊機(jī)吊裝15#橋面板過程,起吊一半橋面板荷載,鋼梁上激活一半濕重。

        工況19:吊機(jī)卸載,15#鋼梁上激活全部混凝土濕重荷載。

        工況20:15#混凝土板激活,鈍化濕重荷載,15#索二次張拉,索力為5214.3kN。

        3.2 計(jì)算結(jié)果匯總

        對(duì)全部懸臂施工過程20 個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算后,著重關(guān)注了14#節(jié)段工況11 至工況20 主梁的剪力釘縱向內(nèi)力、橋面板縱向應(yīng)力、縱梁縱橋向應(yīng)力、橫梁橫橋向應(yīng)力,結(jié)果如表1 所示。剪力釘縱向應(yīng)力以遠(yuǎn)離主塔方向鋼梁拉伸橋面板為正,壓縮橋面板為負(fù),橋面板及鋼梁正應(yīng)力以縱向受拉為正,受壓為負(fù)。

        表1 14# 節(jié)段計(jì)算結(jié)果極值

        3.3 剪力釘計(jì)算結(jié)果分析

        為探究懸臂施工過程中剪力釘縱向內(nèi)力的分布與變化特性,對(duì)14#節(jié)段的剪力釘順橋向剪力云圖進(jìn)行了觀察,部分云圖如圖3 至6 所示。

        圖3 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖(單位:N)

        圖4 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖(單位:N)

        圖5 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖(單位:N)

        圖6 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖(單位:N)

        當(dāng)15#懸臂鋼梁拼裝完成時(shí),14#節(jié)段梁端處鋼梁拉伸橋面板,使得14#節(jié)段鋼梁剪力釘?shù)捻槝蛳蚣袅Ξa(chǎn)生的正向剪力驟增,而當(dāng)15#節(jié)段處拉索初張拉時(shí),由于張拉力由15#鋼梁直接傳遞給14#鋼梁,導(dǎo)致14#鋼梁對(duì)橋面板作用由拉伸變?yōu)閴嚎s,剪力釘產(chǎn)生負(fù)向剪力。在之后的階段,14#節(jié)段剪力釘縱向剪力無大幅度變化,15#節(jié)段施工完成時(shí)最大值為-33.5/15.4kN。

        3.4 橋面板計(jì)算結(jié)果分析

        分析了混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖,以判斷其分布規(guī)律,部分云圖如圖7 至9 所示。

        圖7 混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖8 混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖9 混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        在懸臂施工過程中,15# 節(jié)段鋼梁及橋面板吊裝時(shí),將使得14#節(jié)段橋面板吊機(jī)位置處出現(xiàn)較大的局部壓應(yīng)力;而在拉索二次張拉時(shí),拉索附近范圍內(nèi)的橋面板將出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力,且沿順橋向正應(yīng)力有明顯的應(yīng)力擴(kuò)散趨勢(shì)。施工過程中,橋面板最大壓應(yīng)力為-18MPa,最大拉應(yīng)力為1.8MPa。

        3.5 鋼梁計(jì)算結(jié)果分析

        受篇幅所限,并考慮懸臂施工過程中鋼梁以縱向受力為主,本文僅列出部分縱梁順橋向正應(yīng)力云圖并進(jìn)行分析,云圖見圖10 至圖12。

        圖10 14#縱梁順橋向正應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖11 14#縱梁順橋向正應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖12 14#縱梁順橋向正應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        14#節(jié)段鋼縱梁在完成二次張拉及橋面板預(yù)應(yīng)力張拉后處于受壓彎懸臂上撓狀態(tài),而15#節(jié)段拉索一二次張拉亦會(huì)增大14#節(jié)段的受彎上撓效應(yīng),但除一二次張拉以外的施工階段則將對(duì)14#節(jié)段鋼縱梁內(nèi)的彎矩起到卸載作用;此外,鋼縱梁頂板在錨拉板后側(cè)位置處存在較大局部壓應(yīng)力,最大壓應(yīng)力為119Mpa。

        4 結(jié)論

        ⑴通過通用有限元軟件ANSYS 建立了潮汕大橋鋼混組合梁空間實(shí)體有限元計(jì)算模型,并通過MIDAS 梁?jiǎn)卧w模型提取了相應(yīng)施工工況的對(duì)應(yīng)索力,對(duì)主梁最外側(cè)11#、12#、13#、14#、15#五個(gè)節(jié)段的施工過程進(jìn)行了模精細(xì)化擬。

        ⑵當(dāng)后一節(jié)段懸臂鋼梁拼裝完成時(shí),將導(dǎo)致前一節(jié)段梁端處鋼梁拉伸橋面板,使得該處剪力釘?shù)恼蚣袅E增,而后一節(jié)段拉索初張拉產(chǎn)生的軸力會(huì)直接傳遞給前一節(jié)段鋼梁,進(jìn)而壓縮前一節(jié)段橋面板并使得剪力釘產(chǎn)生負(fù)向剪力,后一節(jié)段此外的施工過程中前一階段剪力釘剪力無劇烈變化。

        ⑶后一節(jié)段鋼梁及橋面板吊裝時(shí),會(huì)使得前一節(jié)段橋面板吊機(jī)位置處出現(xiàn)較大局部壓應(yīng)力,而拉索附近范圍內(nèi)的橋面板在本節(jié)段拉索進(jìn)行二次張拉時(shí)將出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力,且沿順橋向正應(yīng)力有明顯的應(yīng)力擴(kuò)散趨勢(shì)。

        ⑷當(dāng)前節(jié)段完成二次張拉及橋面板預(yù)應(yīng)力張拉時(shí),將處于受壓彎懸臂上撓狀態(tài),而在后一節(jié)段施工過程中,拉索一二次張拉會(huì)增大前一節(jié)段的受彎上撓效應(yīng),此外的過程則對(duì)前一節(jié)段鋼縱梁的彎矩起到卸載作用,另外,鋼縱梁頂板在錨拉板后側(cè)位置處存在較大局部壓應(yīng)力。

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