连续梁满堂架施工控制仿真分析研究

连续梁满堂架施工控制仿真分析研究
武肖福,胡　斌,王维朋
(西南交通大学,四川成都610013)
【摘　要】　金家畈大桥为6跨3217m的预应力混凝土连续箱梁桥,采用满堂架施工。

为保证支架的整体稳定性、局部稳定性和变形,施工中进行了施工控制仿真分析。

文章利用有限元方法建立其仿真分析模型,模拟桥梁的施工,研究连续梁支架浇筑施工各工况,分析各工况下支架的变形及稳定性,依次来验证支架的设计是否合理可靠,为桥梁施工提供参考。

【关键词】　连续箱梁桥;　满堂架;　稳定性;　仿真分析;　有限元
【中图分类号】　U4451469 【文献标识码】　B
全桥结构仿真分析能准确地模拟实际构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式、荷载作用、初始内力和初始变形等,因此可得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。

大型桥梁在施工过程中,由于结构体系复杂,使得传统的结构分析方法往往无法准确地描述结构的状态。

而采用结构仿真分析则能够比较真实地模拟施工各工况下的几何模型,支撑和约束条件,以及由于温度变化、支座沉降和预应力损失等产生的荷载,得到桥梁在施工各阶段的结构变形及内力、应力状态,为桥梁施工控制提供准确的数据。

本文试图采用仿真分析方法研究连续箱梁桥满堂架的施工过程。

图1　支架断面图
1　桥梁结构参数及支架布置
金家畈大桥是合肥至武汉段内高速铁路上的一座预应力混凝土变截面连续箱梁桥,梁体为单箱单室斜腹板、等高
[收稿日期]2007-10-22
[作者简介]武肖福(1981～),男,桥梁与隧道工程专业硕士研究生。

　施工技术与测量技术　
度、等截面结构。

跨度为3210m+4×3217m+3210m,全长19610m。

支点及跨中梁高均为310m。

箱梁顶宽1314m,箱梁底宽5168m,顶板厚度除梁端及中隔墙附近处外均为34 cm,底板厚度30c m,腹板厚度50～80cm,按折线变化。

全联在端支点、中支点处共设7个横隔板。

支架布置:采用满布钢管支架逐孔现浇的方法施工。

钢管支架支承于经过处理的地基上,采用碗扣式钢管支架。

支架由立杆、横杆、斜杆及上托、下支座等附件组成,规格采用<48×315,钢管布置两跨箱梁的支架可同时搭设。

立杆:采用214m与118m及214m与310m二种不同规格的立杆交错布置。

腹板下按30×90cm布置。

底板下按60×90cm布置。

翼板下按60×90cm布置。

底板下钢管按1114m配置,翼板下钢管按1318m配置,钢管顶采用U形上托,钢管底采用可调支座,上下可调范围均为60cm。

横杆:步距采用112m,底板下11层,翼板下13层。

剪刀撑:为增加框架的稳定性,纵横向均每隔两排设置一道剪刀撑,剪刀撑采用<48×315扣件式钢管搭设(具体见图1、图2)。

图2　支架平面图
图3　凝固前后支架受力对比
2　仿真模型
金家畈大桥为预应力连续简支梁桥,采用逐跨浇筑
的方式进行浇筑施工。

施工共分为6个阶段。

本文采用
结构有限元软件ANSYS对全桥施工过程进行仿真分析
研究。

箱梁结构体系采用三维实体模型,支架采用杆系
处理,建立的是三维实体模型,且没有考虑普通钢筋和预
应力损失的影响。

模型图与上面实际设计图一样。

3　结果分析
桥梁施工过程中比较重要的控制参数是支架的变
形、稳定系数以及失稳状态。

在混凝土凝固前,梁体的重力
主要由支架承受;随着混凝土强度的增加,受力逐渐向两边
桥墩转移,直到混凝土强度不再提高。

预应力加载后各支架
的变形和受力也有很大的变化,梁体的重力完全由桥墩和其
附近支架承受,梁跨中出现上拱。

因此结构的仿真分析需要
得到各施工阶段混凝土凝固初凝前,完全凝固后以及预应
力加载后的变形数据、稳定系数以及失稳状态图。

因各施工段长度和支架布置一样,所以在预应力加载前
各跨支架的受力变形几乎一致,图3就是代表各跨混凝土凝
固前后的支架变形图。

从图中可以看出混凝土凝固前跨中
支架受力最大,跨边受力最小;混凝土完全凝固后跨中受力
最小,而桥墩受力增大,靠近桥墩处支架受力最大。

这与理
论相一致。

图中支架最大变形值1,小于支架变形设
计值2mm,支架处于安全状态。

由理论分析和计算得知,预应力张拉完成后,支架受力
很不均匀,跨中不受力,跨边受力比预应力张拉前大的多,最
有可能发生失稳。

图4表示第二跨预应力张拉完成后失稳
的局部放大图。

图4　失稳局部放大图
从图和计算结果可得,各跨支架的(下转第页)
12mm4201
图2　结构计算简图
4　结构加固方案选择与加固过程
411　加固方案的选择
常见加固方案有以下几种:增加截面尺寸,外包钢处理,碳纤维加固等。

上述各种加固方案的优缺点如表1所示。

表1　结构加固方案及其优缺点
方　法
优　点
缺　点
适用范围
加大截面尺寸成本低,施工简
单
占用空间,施工周期长,湿作业多对时间要求不
高,要求控制成
本的工程外包钢处理
施工快速,无湿作业,基本不占用使用空间施工难度大,对
现场环境要求
高
无腐蚀性气体的
环境
碳纤维布加固施工方便,周期
短,不占用使用空间
成本较高
一般均可
在确定加固方案前,厂方提出该生产车间正在按照订单进行生产,不能长时间停产,同时考虑到厂房内部空间有限,所以不宜使用施工周期较长的加大截面尺寸的方法,厂房中存在易燃材料,所以也不宜使用焊接设备。

综合以上三种方法的优缺点,决定采用碳纤维布对受损的梁进行加固。

412　加固过程
加固材料采用北京金草田公司生产的碳纤维布,具体力学参数如表2所示。

表2　碳纤维布的参数
产品编号单位面积重量(g/m 2)
抗拉强度
(M Pa)弹性模量
(N /m m 2
)厚度
(mm )130********×105011672
200
3400
213×10
501111
其中1号碳纤维布用于抗弯,其作用相当于钢筋混凝土中的纵向钢筋;2号碳纤维布用于对1号碳纤维布的约束同时兼起一定的抗剪作用,其作用相当于钢筋混凝土中的箍筋,以保证结构在偶然荷载作用下剪切破坏不会在弯曲破坏之前发生。

(采用上述图2计算简图进行验算,计算过程略)
结构粘碳纤维布加固一般有以下几个步骤:清理粘接面→打磨表面→打底胶→找平胶→浸润碳纤维布并粘结→辊筒压出粘结层中的气泡→养护。

加固过程严格按照国家现行规范《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》进行操作
[6]
,经过加固后的混凝土梁见图3。

图3　加固后的梁
413　加固后的质量检验
在加固完成使用了一段时间后,对主梁的使用情况进行了回访检查,未发现构件表面重新出现裂缝,证明了本次加
固方案是完全能够满足主梁的使用功能的。

5　结　论
通过本次案例可以看出,利用碳纤维布进行结构加固是一种新型的结构加固方法。

它具有由于施工工艺简单,施工周期短,耐腐蚀,抗疲劳性能好,可以适合被加固结构的各种形状,强度高,不增加结构自重,不占用使用空间等许多优点,是一种可以在结构加固和既有建筑的改造中大力推广的新型技术。

参考文献
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[3]　叶列平,赵树红,李全旺,等.碳纤维布加固混凝土柱的斜截面
受剪承载力计算[J ].建筑结构学报,2000(2):59-67.
[4]　吴波,王维俊,张正先.反复荷载下碳纤维布加固钢筋混凝土框
架梁的试验研究[J ].世界地震工程,2003,19(1):62-69.[5]　黄立,叶列平.碳纤维布加固RC 梁中粘结性能的非线性有限
元分析[J ].工程力学,2004,21(2):54-61.
[6]　CECS 146:2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].
(上接第199页)　稳定系数在2～4之间,与支架的安全系
数设计值3很接近,处于安全状态。

失稳状态最可能发在桥
墩横向两边。

4　结　论
(1)有限元软件ANSYS 的计算结果与设计值基本吻合,满足工程施工要求。

也印证了有限元软件仿真的准确性和正确性。

(2)从变形和支架失稳分析可得金家畈大桥支架的布置
比较合理,有足够的安全系数保证支架的稳定,且没有造成支架的浪费。

参考文献
[1]　郑凯锋.桥梁结构仿真分析技术研究[J ].桥梁建设,1998(2):
10-15.
[2]　徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M ].北京:人民交通出版社
2000:69-72.。