◎楊文凱 王柱 湖南省航務工程有限公司

穿鋼棒法施工工藝在橋梁施工中因其高效率、穩(wěn)定性、安全性等方面的優(yōu)勢，得到了廣泛的應用。由于鋼材強度一般較高，在一般碼頭接岸引橋蓋梁施工時，鋼棒自身強度一般不是問題。但鋼棒與引橋墩柱預留孔之間僅為局部接觸狀態(tài)，受力較為復雜，對孔口混凝土產(chǎn)生應力集中效應，導致孔口混凝土容易被壓碎。故本文以國內內河某高樁碼頭接岸引橋蓋梁施工時采用鋼棒法為例，運用有限元方法，對鋼棒與墩柱混凝土接觸處的局部應力進行分析，總結規(guī)律并得出鋼棒直徑、墩柱混凝土強度、荷載大小、荷載作用位置之間的經(jīng)驗公式，方便類似工程施工時參考。

1.計算模型及工況

計算采用Ansys有限元軟件建立實體模型進行接觸分析，墩柱和鋼棒均采用solid185單元，接觸面通過targe170和conta174單元模擬面面接觸。為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率，墩體橫向只建出1m×1m截面，從后面計算結果能看出，該大小能滿足計算精度。整體計算模型如圖1所示。

圖1 整體有限元模型及網(wǎng)格劃分

計算時考慮現(xiàn)澆蓋梁、施工平臺、模板自重等荷載。以上述某項目為例，選用直徑120 mm高強鋼棒，墩柱直徑1.8m，鋼棒長2.8m，分配到每根鋼棒兩端的荷載為156.56kN。分析不同參數(shù)對墩柱混凝土壓應力的影響：荷載大小、鋼棒直徑、墩體厚度，分析采用單因素分析法，即每次只分析一個因素對結果的影響。

2.計算結果

2.1 實例計算結果

根據(jù)上述項目的參數(shù)，計算得到混凝土壓應力極值分布如圖2所示。

圖2 墩柱壓應力計算結果

從計算結果看出，墩柱混凝土最大壓應力達到了-20.3Mpa，低于C40混凝土抗壓強度極限值。混凝土壓應力主要集中在孔口附近，僅在很小的區(qū)域內出現(xiàn)了較大壓應力，往墩柱中部和下部，應力迅速擴散驟減。為直觀展示應力結果，繪制孔口端部表層節(jié)點往墩體中部壓應力變化曲線如圖3所示。

圖3 混凝土壓應力極值與距孔口距離關系曲線

從圖中可以看出，在距離孔口僅175mm左右距離內，壓應力迅速從-20.3Mpa減小至約-4Mpa，往后壓應力逐漸趨于0。故一般來說，墩柱厚度（直徑）并非影響鋼棒對墩柱混凝土壓應力的關鍵因素。

2.2 規(guī)律分析

1）鋼棒直徑影響分析。采用單因素法進行分析，保持荷載值、墩柱厚度等參數(shù)不變，每次改變鋼棒直徑大小D進行計算，然后提取混凝土最大壓應力值，如圖4所示。鋼棒直徑與混凝土壓應力呈負相關，即鋼棒直徑越大壓應力越小，且影響比例有減小的趨勢。

圖4 鋼棒直徑對混凝土應力影響曲線

圖5 荷載作用點位置對混凝土應力影響曲線

試算的幾種直徑鋼棒具體計算結果見表1。

表1 不同直徑鋼棒下混凝土最大壓應力

2）荷載作用位置影響分析。荷載作用在鋼棒時，傳遞到孔口除剪力外還有彎矩作用，彎矩隨距離的增大而增大。同樣采用單因素法分析，保持荷載值等其他參數(shù)不變，每次改變荷載位置，即距孔口距離ΔL進行計算，提取混凝土最大壓應力，計算結果如下：

距離孔口距離ΔL與混凝土壓應力呈正相關，即距離越大壓應力越大，且影響比例有減小的趨勢。

2.3 經(jīng)驗公式推導

顯然壓應力值與荷載值成正比關系，可令壓應力極值計算公式為：

式中：P為鋼棒一端分配到的荷載值，單位N；D為鋼棒直徑，單位mm；f為壓應力極值；a、b、c為待定系數(shù)；k為荷載增大系數(shù)，將因荷載中心作用點距離孔口的距離ΔL（mm）的影響值轉換為一影響系數(shù)，當ΔL為200mm時，取1。

對于上述項目，k=1，P=156.56 kN，則式（2.1）可轉化為：

利用Matlab進行二次曲線擬合，計算出a、b、c分別約為0.134、19.5、3450，擬合曲線見圖6。

圖6 式（2）擬合曲線

圖7 荷載增大系數(shù)擬合曲線

荷載增大系數(shù)k是關于ΔL的函數(shù)，根據(jù)表2計算結果，可得表3。

表2 不同荷載作用位置下混凝土最大應力

表3 不同荷載作用位置下荷載增大系數(shù)

采用同樣的方法進行二次擬合計算，得到：k=-2.714×10?L+0.0017?L+0.76。

則最終的經(jīng)驗公式為：

其中，k=-2.714×10?L+0.0017?L+0.76。

3.結論

通過計算分析得到以下結論：

（1）穿鋼棒法施工蓋梁時，對墩柱混凝土產(chǎn)生的最大壓應力值集中在預留穿棒孔口附近。

（2）為避免鋼棒對墩柱混凝土產(chǎn)生過大壓應力而使墩柱混凝土被壓裂，在選擇鋼棒直徑大小時，可參考經(jīng)驗公式（3）進行估算壓應力極值f，看是否超限。

（3）實際工程中采用鋼棒法時還可制作卸落塊緊靠墩柱表面套在鋼棒兩端配合使用，形成鋼棒牛腿結構，以增加鋼棒的抗彎能力、穩(wěn)定性，并方便底模及臨時承重結構拆除。