基于Midas/Civil的连续梁桥施工阶段应力分析

2022-09-11

前言:Midas/Civil软件在结构工程中运用广泛, 能够利用材料力学和有限元等专业知识进行工程结构的建模与计算分析。目前已有的实践经验已经告诉我们, Midas/Civil软件能够将模型实现从二维到三维的过渡, 将桥梁的受力情况、内外部荷载情况进行可靠、系统的分析, 因此使用价值非常高, 并且分析的精度在经过检验后已经达到了85%以上的水平。

1、连续梁桥概述

连续梁桥是中等跨径桥梁中常用的一种桥梁结构, 其中连续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥, 分主跨为连续梁的多跨刚构桥和多跨连续-刚构桥, 均采用预应力混凝土结构, 有两个以上主墩采用墩梁固结, 具有T形刚构桥和连续梁桥的优点。但与同类桥 (如连续梁桥、T形刚构桥) 相比:多跨刚构桥保持了上部构造连续梁的属性, 跨越能力大, 施工难度小, 行车舒顺, 养护简便, 造价较低。现在连续梁的理论跨径是在250m左右, 梁高做成变截面的话可以达到支点处1/16, 甚至更薄, 跨中可以达到1/40。

2、模型建立及参数控制

2.1 模型建立

使用Midas/Civil软件针对各个节点和单元建立一个二维的结构体系, 对连续梁桥的钢板桩围堰、钢支架和挂篮进行整体建模, 再通过输入桥梁截面建立三维结构体系, 从而进行三维仿真模拟计算分析。

2.2 参数控制

Midas/Civil软件对于桥梁的荷载分析可以形成一个受力系统。桥梁在施工过程以及使用过程中会受到多种荷载, 在Midas/Civi软件中一般不考虑风荷载和地震作用, 主要考虑静力荷载、移动荷载、温度荷载、预应力荷载、收缩徐变等作用力荷载对桥梁造成的形变等影响。

2.2.1 各类参数控制与确定

设计一个预应力混凝土变截面连续箱梁形态的连续梁桥, 桥梁宽度为13.5米, 跨径组合为45、80、45米, 与河道夹角为:103°, 主墩承台位于河流两侧, 结构尺寸为10.5×10.5×3.5, 采用钢板桩支护。在Midas/Civil软件中, 静力荷载包括桥梁各节段重量, 挂篮重量和各方面的最大承受力, 相关参数以及对项目指标的计算如下:

承台顶标高h=6.379m, 粉质粘土的容重:r=19KN/m3

承台底标高h=2.879m, 内摩擦角:ф=20°

钢板桩顶面标高h=7.879m, 容许剪应力:[τ]=110Mpa

设计水位h=7.379m, 水中钢板桩容许应力:[f]=200MPa

另外, 钢板桩四周的附加机械荷载按照q=40KN/m2计算, 结构所受的侧面压力按照在钢板桩顶至封底混凝土底面以上的范围内所受到的静水压力、土压力之和来计算。

移动荷载主要是车道荷载和行人荷载, 一般以箱梁上部轨道线所受的作用力以及施加在桥梁上的作用力为主, 将施工人群荷载按W=5* (20-B) /20=5* (20-1.6) /20=4.6KPa计算, 设备荷载按G=12.0*13*0.225=35.1t计算。温度荷载包括系统温度和温度梯度, 其中系统温度初始值为0, 整体升温20℃、降温20℃, 升降的具体数值根据规范要求和设计大小进行修改和添加。

2.2.2 参数的调整建议

在桥梁施工过程中, 需要根据实际情况对挂篮重量、挂篮作用点、各节段重量等参数进行调整。各节段在浇筑时混凝土浇筑方量存在误差, 因此按最大重量节段设计。桥梁设计时会有一定纵坡导致长度增加, 对于混凝土设计方量为283.08m3, 重750.9t, 并减去墩顶的重量为32.66m2×3m×2.6t/m3=254.75t的情况, 还需要通过钢筋实际安装重量以及钢筋、混凝土的体积比来对各节段进行调节。挂篮荷载应全部集中在挂篮的前支腿前侧大约0.2~0.5m处, 重量相关的数据按照厂家提供的钢结构带有的参数, 并结合实际施工情况, 加上施工时添加的构件重量或减去撤下的构件的重量。

3、软件运用于数据分析

Midas/Civil中的PSC计算是一种整体性分析计算, 对桥梁施工过程中的结构进行有限元分析, 计算出某节点对于应力的最大承受能力。对于全预应力构件在施工监控过程中主要分析内容包括:施工阶段法向压应力验算, 使用阶段正截面抗裂验算, 使用阶段正截面压应力验算。

3.1 施工阶段的应力控制与位置确定

桥梁应力的控制要求能够通过计算分析确定整个施工过程中出现拉、压应力的最大值的部位。这就需要借助Midas/Civil软件进行整体计算, 确定出现最大值的节点位置, 并对此时最大值所承受的荷载状况进行分析, 从而对系统进行调整。

悬臂浇筑桥梁在纵向出现最大拉、压应力值, 在拆除吊架阶段的压应力分别为14.48MPA和13.99MPA, 对于能够正常使用的极限状态, 观察此截面受力情况如下:

开裂截面受拉钢筋的应力为

截面配筋率为

结合以上数据计算, 得出特征裂缝宽度为Wfk=C1C2C3σss ( (30+d) / (0.28+10ρ) ) /Es=1.5×1×77.13× ( (30+25) / (0.28+10×0.02) ) /2.0×105=0.066mm, 小于0.2毫米, 因此符合施工要求。

在实际应用中, 对于不同施工节段不同荷载工况, 桥梁最大受力截面处的应力控制还需要比较实际应力大小与理论计算值之间的差异。具体的要求是在对施工阶段进行定义的时候, 在添加不同荷载的同时, 还要添加对应于“梁单元应力图”界面中的“步骤”项。

3.2 施工阶段挠度控制

根据悬臂浇筑施工技术的规范要求以及立模指令的发生时点, 需要在挂篮移动工况结束之后, 从Midas/Civil中检测施工阶段的相应挠度值。挂篮的组成包括主桁系统和底篮系统, 底篮包括前下横梁和后下横梁 (I40工字钢) 、底模、纵梁 (I32工字钢) 等组成部分, 其中底模承受腹板及底板的重量。另外还包括了行走及锚固系统、模板及调整系统。除了主要的结构, 在附属结构中还包括操作平台、爬梯、栏杆。在整个系统中, 内模设置了两根滑梁, 外模则在每侧设置一根滑梁和一根导梁。挂篮移动时, 底模架后横梁被外侧模走行梁吊着一起移动, 因此外侧模走行梁需要承受来自外侧模和外侧模顶部箱梁翼板混凝土还有挂篮移动时部分底模板的重量。经内力分析得出

前上横梁的弯曲应力计算:бm a x=1 3 0.5 a, 与标准值210MPa相比要小, 因此符合要求。

前上横梁的剪应力计算:τmax=60.5MPa, 与标准值120MPa相比要小, 因此符合要求。因此吊杆的最大挠度计算得出为23毫米, 与标准28.4毫米相比, 是符合要求的。

关于内模走行梁、外模走行梁和底模纵梁的相关应力计算与比较简化为下表:

Midas/Civil软件还可以选择的不同荷载, 通过检验不同受力状态下走行梁、纵梁的变形量值, 计算挠度的变化情况。另外, 在施工的时候挂篮主构架需要承受的荷载承担了最多风险, 因此要对前下横梁的重量作为荷载的检算值, 多次计算挂篮结构的可靠性。