向 猛,李 智,鄒 汛

(1.鶴峰縣公路建設(shè)管理所,恩施 445800;2.漢江國家實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070;3.武漢馬房山理工工程結(jié)構(gòu)檢測有限公司,武漢 430070)

隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,大跨徑橋梁在現(xiàn)代城市建設(shè)中扮演著重要角色。轉(zhuǎn)體橋作為一種重要的大跨徑橋梁形式,由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)越的技術(shù)性能,在橋梁工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1,2]。大跨徑鋼混組合骨架轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)動體系作為轉(zhuǎn)體橋的一種典型形式,具有結(jié)構(gòu)簡潔、承載能力大等優(yōu)勢,在橋梁工程領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用和推廣[3-5]。

然而,隨著轉(zhuǎn)體橋的不斷發(fā)展和跨徑的不斷增大,橋梁的結(jié)構(gòu)性能也面臨著新的挑戰(zhàn)。其中,轉(zhuǎn)體橋中拱肋的張拉脫架問題是橋梁轉(zhuǎn)體施工前,危險系數(shù)很大的重要施工工序[6]。拱肋張拉脫架是指橋梁在轉(zhuǎn)體施工前,將依據(jù)當(dāng)?shù)氐匦谓ㄔ斓墓袄邚匿摷苤紊厦撾x。進(jìn)而整個轉(zhuǎn)動體系由轉(zhuǎn)體球鉸支撐,并立即進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。由于拱肋質(zhì)量很大,為了保證拱肋和背墻交界墩的位移不超過材料本身的最大承受限度,其張拉過程需要將扣索(拱肋與交接墩的連接)和背索(交接墩和轉(zhuǎn)動磨盤的連接)交替張拉,達(dá)到最終目標(biāo)索力[7]。目前,我國的轉(zhuǎn)體橋已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。然而,由于施工難度、橋梁使用環(huán)境和荷載等因素的影響,轉(zhuǎn)體橋拱肋張拉脫架過程尤為關(guān)鍵,其問題主要聚焦于轉(zhuǎn)體橋拱肋張拉脫架中背索和扣索張拉階段的拱肋變形和背墻位移[8]。

在目前的轉(zhuǎn)體橋拱肋張拉脫架問題的解決中,常用的方式是采用手工計(jì)算并現(xiàn)場施工復(fù)核。然而,該方法計(jì)算量大,需要投入許多算力。因此,引入數(shù)值模擬分析成為研究轉(zhuǎn)體橋拱肋張拉脫架行為的必要手段[9]。有限元計(jì)算模擬作為一種有效的數(shù)值分析方法,可以模擬橋梁在不同工況下的力學(xué)行為,對轉(zhuǎn)體橋拱肋張拉脫架問題進(jìn)行深入研究。

論文研究了大跨徑鋼混組合骨架轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)動體系拱肋張拉脫架過程中的有限元計(jì)算模擬。首先,通過MIDAS/Civil建立大跨徑鋼混組合骨架轉(zhuǎn)體橋的有限元模型;其次,分析背索和扣索張拉階段的拱肋變形和背墻位移情況;最后,根據(jù)研究結(jié)果提出對未來轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)和施工的建議,以期提高轉(zhuǎn)體橋的安全性和可靠性。

1 工程概況

圖1和圖2分別為南渡江轉(zhuǎn)體拱橋拱肋和背墻立面圖。拱肋分為37個節(jié)段(圖1),其中37號節(jié)段為跨中合攏段,圖中只有一半,另一半于河對岸對稱建造。圖2中的背墻交界墩為中空設(shè)計(jì),為達(dá)到預(yù)定尺寸和質(zhì)量,其與轉(zhuǎn)出體系的拱肋質(zhì)量平衡。

2 有限元模型建立

2.1 橋梁有限元模型

兩岸轉(zhuǎn)動體系對稱,計(jì)算模型只考慮了一個轉(zhuǎn)動體系。整個模型分為8 326個節(jié)點(diǎn)、7 465個單元,其中八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元4 754個,四節(jié)點(diǎn)厚板單元1 160個,只受拉拉索單元96個,梁單元1 455個,轉(zhuǎn)動體底部采用固結(jié)的方式約束。拉索采用只考慮拉力的索類單元,不考慮其抗彎剛度,而計(jì)入拉索的垂度效應(yīng)。拉索張拉采用施加初拉力的方法模擬。建立的南渡江轉(zhuǎn)動體系如圖3所示。通過在拉索單元上施加初始單位拉力,然后采用程序計(jì)算未知系數(shù)的目標(biāo)優(yōu)化功能(見圖4),計(jì)算滿足約束條件時的拉索索力。其約束條件為:拱肋頂部的標(biāo)高控制在[0,10] mm之間,墩頂位移控制在1 mm以內(nèi)來模擬脫架。

2.2 背索與扣索張拉階段模擬

以第一階段的背索張拉(圖5)和最后一個階段的扣索張拉(圖6)為例,進(jìn)行背索和扣索張拉階段的模擬分析。

由表1可以看出,模擬脫架后,拱肋在1號點(diǎn)處拱肋下弦混凝土板頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大值為0.52 MPa。而底板均為壓應(yīng)力,數(shù)值均小于9 MPa,低于混凝土的屈服強(qiáng)度。

表1 拱肋關(guān)鍵部位混凝土應(yīng)力表

3 結(jié) 論

a.通過有限元計(jì)算模擬,能夠?qū)袄邚埨摷艿男袨檫M(jìn)行詳細(xì)分析,并提供較為準(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)果,為橋梁設(shè)計(jì)和施工提供了可靠的參考依據(jù)。

b.根據(jù)計(jì)算結(jié)果,拱肋變形、背墻位移以及拱肋下弦混凝土應(yīng)力都在安全范圍內(nèi),未超過設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)承載能力的限制。

c.可以根據(jù)轉(zhuǎn)體橋拱肋張拉脫架各個張拉階段的拱肋變形和背墻位移最大值采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣眍A(yù)防和控制施工過程,并確保橋梁的整體安全性和可靠性。

綜上所述,該研究通過有限元計(jì)算模擬,對大跨徑鋼混組合骨架轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)動體系中拱肋的張拉脫架行為進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性,能夠?yàn)檗D(zhuǎn)體橋的設(shè)計(jì)與施工提供參考和指導(dǎo),為轉(zhuǎn)體橋張拉脫架過程中的穩(wěn)定性和可靠性提供了保障。