掛籃施工中的連續剛構橋零號塊空間仿真分析

趙 楠

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院)

1 前言

預應力混凝土連續梁、連續剛構橋具有線形簡潔、外形美觀、施工方便、行車平順、造價低等諸多優點，在國內大跨徑橋梁中廣泛采用。連續梁及連續剛構橋設計中，墩頂0#塊是設計中的關鍵部位。該位置不僅有沿橋跨方向變厚度的頂板、腹板、底板以及帶人孔洞的橫隔板，而且為了避免應力集中，在各構件之間還設有不同形狀的承托倒角，導致空間形狀、受力非常復雜。為了驗證0#塊受力性能，可以采用模型試驗和數值模擬兩種方法進行。但是，模型試驗費時費力，經費投入較高，試驗效果也因模型比例、相似程度和測試精度而有所不同。采用空間有限元法能夠獲得全面而又精確的應力及變形分布圖，可以檢驗解析理論中所作的各種假設和近似的敏感性、合理性，同時又可以使試驗中無法模擬、無法控制的要素通過數值模擬實現。本文以某依托工程為例，研究了連續剛構橋掛籃施工過程中0#塊空間的應力及變形分布特征，其結果為優化結構設計提供了參考。

依托工程主橋為預應力混凝土連續剛構橋，跨徑組合為83+4 ×148+83 m。全橋共有0#段10 塊，其中1、5#墩0#段墩身為單肢薄壁空心墩，墩高分別為47 m和36 m，0#塊采用托架法施工。2、3、4#墩為雙薄壁墩，墩高分別由為55～80 m不等。本橋采用掛籃懸臂施工方法，2、3、4#墩零號塊橋縱向長11 m，掛籃自重63 T，為兩片桁架式結構。由于2、3、4#墩為雙薄壁墩，導致0#塊為閉合箱型框架結構，且屬于上部結構向下部結構的傳力節點，受力異常復雜。根據以往施工經驗，在澆筑1#段過程中，此類結構經常出現異常裂縫。為了保證懸臂施工時0#塊的受力狀態滿足要求，為優化結構構造設計及配筋提供依據，本文在掛籃施工過程最不利荷載工況下探討了0#塊的空間受力狀況。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

為準確反映掛蘭及1#塊荷載作用后0#塊的整體及局部受力狀態，采用空間實體單元建模，為簡化計算，模型采用了以下假設和簡化:(1)忽略預留孔道的影響;(2)忽略結構內倒角;(3)1#塊重量及掛蘭自重按經計算后按集中力作用于0#塊;(4)不計普通鋼筋影響。

單元采用Solid92建立數值計算模型，其為四面體單元，比較適用于不規則網格劃分。由于結構與荷載均滿足對稱性要求，為了縮小模型規模，加快計算速度，利用對稱性，本結構分析采用1/4計算模型，利用自由網格劃分技術，綜合考慮計算精度和計算規模，并充分利用對稱性施加對稱邊界條件。限于篇幅，本文未給出模型離散示意。

2.2 計算參數

結構分析中采用的主要力學參數與材料參數如下:

(1)1號塊重量:45×26=1 170 kN

(2)1個掛籃重量:630 kN

(3)混凝土:50#混凝土，彈性模量E=3.5×104MPa，泊桑比0.3

(4)計入結構自重。

2.3 計算工況

計算工況應反映結構受力的最不利狀況。根據此類橋梁施工經驗，發現在1#塊施工過程中，由于頂板鋼束未張拉，造成0#塊受力較不利。為了研究1#塊澆筑過程中，0#塊的全程受力特點及規律，本結構分析采用1號塊澆筑過程為最不利工況，即頂板鋼束張拉前，掛籃承擔1#塊全部重量，求解零號塊的應力分布及變形分布特征。

3 成果分析與評價

在確定的施工荷載作用下，主要考察0#塊件不同位置的應力及變形分布特征，掌握復雜構造不同部位應力的最大值、傳遞關系和變化規律，從而為調整和優化0#塊構造和配筋設計提供理論依據。

(1)在不考慮應力集中的前提下，本工況下橋面板主拉應力最大不超過1 MPa，除荷載邊界及約束邊界外，其余位置應力梯度較小。可見，外力荷載因素不是影響0#塊應力超限及開裂的主要因素，溫度梯度影響可能對結構影響更大。

(2)由于模型簡化的原因，計算模型未考慮梗腋，因此在腹板和橋面板相接處會出現應力集中現象，造成梗腋位置局部主拉應力較大，最大達到1.8 MPa。但是，由于實際結構梗腋構造的存在，可以顯著減小應力集中現象。

4 結論和建議

(1)對于0#塊這樣的復雜結構，當模型試驗難度較大時，采用數值模擬的方法可以準確掌握結構受力特征，且具有經濟、快速、準確的特點，特別適用于結構優化設計過程中采用。

(2)仿真分析結果可見，由于實際結構掛蘭前端產生的集中力是通過軌道傳遞到0#塊上前端，而計算模型中荷載作為點荷載作用于結構上，因此在模型上產生應力集中，根據圣維南原理，遠離荷載點位置應力才反映結構真實應力狀態，荷載作用位置臨近應力狀態不代表結構實際受力狀態。實際結構中應注意掛蘭前支點的處理，減小應力集中;

(3)忽略應力集中后，計算工況下橋面板拉應力最大不超過1 MPa，主拉應力在梗腋位置及集中力作用處雖然超過1 MPa，這是由于計算模型未考慮梗腋，因此造成為應力集中，實際結構中可采取梗腋構造處理來消除應力集中現象;

(4)由計算結果可見，計算工況下0#塊端部撓度極小，對施工無影響。

［1]崔穎波，龔德華，賈山，等.預應力混凝土曲線連續剛構橋結構行為分析［J］.四川建筑科學研究，2007，(2).

［2]曾愛.某預應力混凝土斜拉橋橋塔錨固區齒板應力分析與措施設計［J］.公路交通科技(應用技術版)，2012，(2).