基于midas軟件的連續梁橋結構邊界條件的分析

吳小強,李盛斌

（延安大學建筑工程學院,陜西延安,716000）

連續梁橋由于超靜定結構體系的影響，在支點產生負彎矩，跨中的正彎矩被大大縮減，因此此類橋梁在荷載作用下，支點處和跨中的彎矩都會有所縮減。目前常見的連續梁橋有三種結構類型，一般為連續梁、T型剛構和連續剛構，對于連續梁橋又可分為變截面和等截面連續梁橋，本文依托的工程實例沈陽蘇北大橋主橋是變截面連續梁橋，該橋采用的施工方法是懸臂澆筑施工。該類橋梁，一般僅僅設置兩條伸縮縫，伸縮縫的減少能保證行車的舒適與平順。另外在橋梁結構承受動力荷載和溫度及支座變形等因素干擾下產生的二次應力也較少，相對于連續剛構橋梁來說，此類橋梁超靜定次數較少，施工過程需要體系轉化和臨時固結，跨度相對較少，但是由溫度及支座變形等引起的應力較少。

0 前言

連續梁橋在當今橋梁建設中的應用非常廣泛，連續梁橋具有剛度大、變形小、抗震能力強等優點。連續梁橋的施工方法具有多樣性，目前常用的主要有滿堂支架施工和掛籃施工。大跨徑預應力混凝土結構的施工目前主要采用的是掛籃施工的方法。例如上世紀七十年代采用+懸臂施工方法制造的蘭州黃河大橋。目前最大跨徑的預應力混凝土橋梁的跨徑已經達到了165m，由于預應力混凝土連續梁橋屬于超靜定體系，在橋梁的施工過程中，涉及到很多的結構力學方面的知識，對于連續梁橋，在體系轉換和臨時固結等節點邊界條件的重要性必須引起重視，因為邊界條件的改變直接影響著計算結果的準確性和有效性。目前常用的有限元分析軟件是橋梁博士和midas，這兩種有限元軟件在結構模擬分析中應用十分廣泛，并且有力的指導了工程實踐。在進行結構施工監控時，也往往需要這兩種軟件建立有限元模型，并且對于每一個施工工況進行準確的模擬，模擬過程中注意邊界條件的轉化及結構單元的添加與刪除，最后得出每個控制界面在各個施工工況下產生的應力及撓度變形，把這些得出的數值作為理論值，指導施工過程中的應力應變。而結構的邊界條件往往是結構有限元軟件模擬的準確與否的關鍵，因此在進行結構有限元軟件模擬分析前，必須要搞清楚結構的邊界條件的變化，要忽略一些次要因素，注意現實條件與軟件計算的擬合。

1 現行的臨時固結措施和邊界條件的模擬存在的問題

1.1 現行的固結措施

一般而言，進行懸臂施工的連續梁橋，在進行結構有限元模擬時，首先必要要搞清楚結構的墩梁固結措施，只有準確的理解墩梁的固結狀態，才能更準確的模擬橋梁的結構邊界條件，目前對于懸臂澆筑的變截面預應力混凝土連續梁橋墩梁固結的措施主要有以下三種：

(1)、將0#塊梁段與主墩鋼筋或預應力鋼筋臨時固結，待大橋合龍，結構穩定后切斷連接即可。

(2)、在橋墩一側或兩側加臨時支撐或支墩。常見的固結方式有下面三種。

(3)、將0號塊臨時支撐在扇形或門式托架的兩側。

1.2 目前有限元軟件模擬邊界條件存在的問題

懸臂施工的關鍵過程就是結構的墩梁的臨時固結和體系轉化，臨時固結的主要目的就是保證整座橋梁建設過程中的安全與穩定。對于大跨徑的預應力混凝土連續梁橋來說，必須要進行橋梁的施工監控，而大橋的結構體系的邊界條件的變化是極其重要的，這直接影響著施工監控的準確性。對于此類橋梁而言，結構的邊界條件及體系轉化極其復雜，一般為了簡化模擬過程，常常將一些復雜的問題轉化為簡單的力學邊界條件。如何選擇精準的邊界條件，對結構的體系模擬至關重要，對計算的結果影響巨大。例如0號塊澆筑結束后，進行墩梁固結，在進行軟件模擬的時候一般控制x、y、z既不能發生轉動又不能發生移動，而在實際工程中，臨時錨固是有一個扭轉剛度的，由于扭轉剛度較大，一般而言我們可以簡化為墩梁的臨時固結，再如對于三跨連續梁橋，在邊跨合攏段建筑后張拉預應力鋼絞線的時候，此時邊跨的滿堂支架的支撐邊界條件要發生改變，此時僅僅保留支座處墩梁的簡支，去除滿堂支架的支撐，如果未去除滿堂支架的影響，計算的結果就會產生奇異。再如澆筑完中跨合龍段后，邊跨兩個墩梁的鉸接要變為簡支體系，張拉預應力鋼束后要保證整座橋梁只有中跨的墩梁固結，邊跨的墩梁簡支。

2 工程概況

蘇北大橋的孔徑為55+80+80+55米，結構體系為變截面連續梁橋，橋梁的施工手段采用掛籃懸臂施工，橋下跨越的是沈大鐵路、蘇撫鐵路、長軌基地1-3號線及編組站。由于結構跨越鐵路的重要性要求在懸臂施工過程中必須保證結構體系的安全與穩定。本橋梁結構的寬度為19.8m。橋墩采用的是滑膜施工，主梁采用的是懸臂澆筑。本橋梁的主梁的支點處梁高為5m，梁底按1.8次拋物線變化。

主橋中支點梁高5m，跨中和邊支點梁高2.5m，梁底線形從距墩中心1.75m到距墩中心39m按1.8次拋物線變化，頂板厚0.3m，底板厚度從距墩中心4m處的0.658m按1.8次拋物線變化到距墩中心39m處的0.3m。跨中部分腹板厚度0.5m，支點部分腹板厚0.7m。墩頂0號塊設1個厚度3.5m的橫隔板（留檢修人孔），邊跨端部設厚度為1.55m的端橫隔板。對于縱向預應力束設置了頂板懸臂束（T）、邊跨底板合龍束（BB）、中跨底板合龍束（ZB）、邊跨頂板合龍束（BT）五種.整座橋梁在施工過程中結構的邊界條件最重要的兩個變化就是結構在澆筑完0號塊時要進行結構的臨時固結，在進行主梁合龍的時候要進行體系轉換，及墩梁固結要拆除，轉換為簡支體系，主梁采用連續結構。

3 結構體系邊界條件的模擬

對于懸臂施工的連續梁橋，在進行懸臂澆筑前，必須要保證墩梁的臨時固結，在大橋竣工后又要及時的拆除臨時固結，進行結構的體系轉換。對于懸臂澆筑來說，在支架上澆筑完0號塊以后就要進行墩梁的臨時固結，這個過程要進行準確的模擬，模擬時要保證墩梁既不能發生位移的變化又不能有角度的轉動，這就要求我們要控制墩梁的x、y、z方向的轉動與移動。在大橋進行合攏澆筑的時候又要進行及時的轉化。拆除0號塊處墩梁的臨時固結，恢復整座大橋的正常連接。

沈陽蘇北大橋的結構模擬采用的是有限元分析軟件midas進行模擬分析，在分析過程中，必須要對橋梁結構的臨時固結和體系轉換進行精確地模擬分析，只有這樣才能得到更加準確的結果。在建模過程中，我們首先要忽略掉次要因素，在模擬過程中忽略掉不可確定的基礎沉降、橋墩變形等因素，邊界條件的正確與否對結構的模擬計算影響很大。對于本橋梁而言，在0號塊澆筑后要進行墩梁的臨時固結，此時對于有限元分心軟件midas而言我們要控制x、y、z方向的轉動和移動來模擬28號墩、29、30號墩的臨時固結情況。在進行邊跨合龍前，三個主墩的邊界條件都不發生改變。在進行邊跨合攏時，用控制邊跨兩個墩的x、y、z方向的移動，并控制x方向的轉動的邊界條件來模擬邊跨兩個橋墩的墩梁連接狀態。29號墩的墩梁仍然固結。對于中跨合龍時，28號墩、30號墩這兩個邊跨的墩梁要采用控制y、z方向的移動、x方向的轉動來模擬邊跨連墩的墩梁狀態，此時，兩個墩梁固結的狀態就是不控制x方向移動的簡直體系。對于29號墩，要采用面控制各個方向的移動和轉動來模結構體系的墩梁固結狀態。結構體系的準確模擬能夠及時反映出各個施工階段橋梁的受力狀態，為橋梁的施工監控提供更可靠的數據支持。邊界條件的不同往往影響結構的位移及受力，這就直接影響著橋梁施工監控的準確性和實用性。

在模擬過程中我們要注意在進行邊跨合攏前，邊跨現澆段要進行彈性支撐模擬，在邊跨澆筑的時候要注意此時的滿堂紅澆筑的邊界調節進行調整，只有28號墩的節點處變為只控制y、z方向的移動不控制x方向的移動的簡支體系，其他支撐要及時的消除，否則會產生計算結構的奇異。在進行邊跨合攏時要及時的修改28號墩和30號墩的邊界條件，及時的從鉸接變為簡支。只有這樣才能準確的模擬整個結構體系在施工過程中的體系轉化，才能更好更準確的指導橋梁的施工監控。

4 邊界條件的模擬對橋梁施工監控的影響

作為施工監控前的準備工作，在進行施工監控的時候必須要準確的模擬結構在各個施工階段的受力及邊界條件，結構的受力一般比較明朗，對于懸臂施工的連續梁橋來說，掛籃的前移和掛籃的位置及重量比較重要，但是在有限元模擬過程中大家最容易忽略的是結構的邊界條件的模擬，本文通過對蘇北大橋主橋結構整個施工過程的研究分析，特別是對結構邊界條件的探究，準確的提供了結構在各個施工工況下各個控制界面的應力、撓度變形的控制情況。橋梁撓度控制主要依靠建立梁頂標高控制網和梁底立模標高控制網，通過對上述兩組數據的控制，整座大橋的成橋線形滿足誤差范圍(±50mm)，并且大橋的合龍精度較高在2cm之內，滿足規范的要求。對于整座大橋的應力監控，監控的結果基本和理論值相吻合，并且變化趨勢保持一致，應力監測的誤差也在規范允許范圍內。由此我們可以推斷結構的邊界條件的模擬準確使用，能夠較準確的指導結構的施工監控

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