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钢管混凝土拱桥拱肋 吊装及注浆力学仿真分析 刘新根 5 9 钢管混凝 土拱桥拱肋 吊装及注浆力学仿真分析 刘新根 ( 上海 同岩土 木工 程科 技有 限公 司 ， 上 海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要 ： 钢筋 混凝 土拱桥拱肋 吊装存 在拱 肋空 中精确对接 、 空 间构件 干涉检验 、 拱 轴线形 精确控 制和注浆 力学 分析 等难题 。 根据拱桥的几何模型 和力学机 理 ， 利用 C + +语 言编制了拱桥拱肋 吊装及 注浆力学三维 虚拟 仿真可视化分 析软件 ， 以实现拱 肋 吊装 、 注浆模拟 、 结构静力分析一体化 。利用该软件对上 海市 某拱桥拱 肋 吊装 过程及 拱肋注 浆过程 进行模拟 和预 演 ， 对 注 浆过程进行静力分析 ， 并通过优化设计参数 ， 最终确定 了一套安全可行的 吊装和注浆方案 ， 为指导现场施工提供 了参考 。 关键词 ： 拱桥 ； 拱肋 ； 吊装 ； 干涉检测 ； 注浆模拟 ； 仿真 ； 静 力分析 ； 软件 中 图 分 类 号 ：U4 4 5 ． 4 6 文 献标 志码 ： A 文 章 编 号 ： 1 6 7 l 一 7 7 6 7 ( 2 0 1 4 ) 0 4 —0 0 5 9 —0 5 1 引 言 钢管混凝土拱桥具有 自重轻 、 强度高、 跨度大、 造型优美、 建造速度快等诸多优 点[ 1 ] ， 但是 其拱肋 吊装 是一 个 十 分复 杂 和 高难 度 的 施工 过 程 ] ， 拱 肋 空 中对接 精 度和拱 轴 线 形 控 制 具 有一 定 的难 度 ， 其 吊装 的结 果将 直接 影 响拱桥 的施 工质 量 。 现场监控和以往经验是 目前确保拱肋施工质量 的重要手段。但如果在 吊装过程中发现由于制造尺 寸误 差或 受力 变形 导 致 拱 肋 不 能平 稳 对 接 ， 不 仅 会 影 响施工 进度 ， 而 且 也会 给拱 桥 的质 量带 来 安 全 隐 患 。所 以在具 体 吊装 之 前 ， 如 果 能 通 过 三维 可 视 化 仿真 软件 模拟 拱肋 的 吊装 和 注 浆过 程 ， 并 实 时进 行 干涉 检测 、 力 学分 析 ， 从 而给 出一套 具 体可行 的 吊装 方案 ， 将对 拱肋 的 吊装 施 工 具 有 重 要 的 指 导 意 义 。 本文以上海市某拱桥为依托， 研制了拱桥拱肋 吊装 及 注浆力 学 三维虚 拟 仿 真 可 视 化分 析 软 件 ， 以实 现 拱肋 吊装 、 注浆模拟和结构静力分析。 2 计算 模型 该软 件 需 实 现拱 肋 吊装 、 注浆 模 拟 和结 构 静 力 分析 三大 功能 。为 了达 到 上述 目的 ， 需 要 实 现 拱 桥 模型 构建 、 吊机 模 拟 、 构 件 干涉 检 测 、 有 限元 模 型 构 建 和拱肋 注浆模 拟 等 5 个 主要 技术 环节 。 2 ． 1 拱 桥三 维模 型 依据拱桥各构件 的实际尺寸 ， 利用三维 图形技 术绘 制 出拱 桥 安 装 完 毕 后 的整 体 模 型 示 意 图 ( 见 图 1 ) 。 图 1拱 桥 三 维 模 型 2 ． 2 吊机模 拟 根 据 挂钩 设 置 情 况 ， 将 吊机 几 何模 型 分 成 如 图 2所 示 的 2种形 式 。 ( 1 )设 置扁 担 ： 设 置 了 8个 吊点 ， 多用 于 吊装重 量 大 、 跨 度 长 的 构 件 ， 有 利 于 构 件 受 力 均 衡 和 吊装 平 稳 。 ( 2 )不设 置 扁担 ： 设 置 了 4个 吊点 ， 多用 于 吊装 重 量轻 、 跨度 短 的构件 ， 亦 可 以用 于辅 助 吊装 。 ( a ) 设置扁担 ( b ) 不设扁担 图 2吊机几何模型 吊机可以绕基座点 自由转动 ， 吊臂可进行伸缩 、 平摆、 升降等操作 ， 以带动相应构件的运动 。 收稿 日期： 2 0 1 4 O 1 —1 3 作者简介： 刘新根 ( 1 9 8 1 ) ， 男 ， 工程师 ， 2 0 0 4年毕业于郑 州大学水利水 电建筑专业 ， 获学士学位 ， 2 0 0 7 年毕业 于郑州大学水利与环境学院水工 结构专业 ， 获硕士学位( E - ma i l ： x u e z h o n g f e i 2 0 0 O @ 1 6 3 ． c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 世 界 桥 梁 2 0 1 4 ， 4 2 ( 4 ) 2 ． 3 构件 干涉 检测 在 吊装 试 验 过程 中 ， 如 果 仅凭 视 觉 判 断构 件 是 否存 在干 涉是 不够 的 ， 因 为 三维 模 型 显示 在 二 维 屏 幕上存在视觉误差 ] ， 并且在 维空间 中容易存在 一 些 肓 区 。因此 在软 件 中 ， 吊机 每 一 个 操 作 之后 均 会进 行 干涉检 测 ， 包括 拱桥 、 吊机 及 附近相 关建 筑均 可进 行 干涉检 测 ， 干涉 检测 可 以归类 于空 间线线 、 线 面 和线体 求交 。如 图 3所 示 ， 当拱 肋 构 件 与 立 柱之 间出现碰撞干涉时， 相应干涉处将呈警戒色 ， 并发出 相应 的警报声 。 图 3干涉 检 测 2 ． 4 有 限元模 型构 建 在拱 肋 吊装 过 程 中 ， 将 吊机 和拱 桥 作 为一 个 系 统整体， 利用有 限单元法进行力学变形分析 。拱肋、 吊机 吊臂采 用 弹性 梁 单 元 模 拟 ， 吊机 扁 担 、 风 撑 、 弦 杆 及腹 杆采 用 拉压 杆 单 元 模 拟 ， 绳 索采 用仅 受 拉 杆 单元模 拟 ] 。在 竖 直 方 向 ( z向 ) 施 加 重 力 加 速 度 ， 吊机 的基 准点 处施加 固定约束 ， 并 限定 杆单 元 在 、 向的变形 l 8 ] 。单机 ( 吊机设 置 扁担 ) 起 吊拱肋 的力 学模 型如 图 4所示 。 拱 肋 的 吊点 位 置及 吊绳长 度 。 2 ． 5 拱肋注浆模拟 模 拟 拱 肋 注浆 时 ， 混 凝 土 的力 学 形 态 分成 流 态 和 固结 2 个 阶 段 。 当混 凝 土 为 流态 时 ， 混凝 土 尚未 与拱肋构件形成一个整体 ， 此时将混凝土 自重等效 成节 点荷 载 ， 视为拱 肋 的外部 荷 载 ； 当混凝 土 已经 固 结时 ， 混凝 土 与拱肋 构 件形成 了一个整 体 ， 视为 一种 组合 材料 口 ， 共 同受 力 ， 此 时 将 拱 肋 由钢 管 构 件 转 化成 钢 管混凝 土 构件 。 由于混凝 土材 料抗 拉强 度很 低 ， 计算 时不 考虑 其抗 拉强 度 ， 拉 应力 全部 由钢 管 承 担 l 1 。软 件可 以模 拟 注浆速 度 和 同结 时 间 ， 并 进 行 相应 的力学 变形 分析 。 3软 件编 制 基 于 ( ) p e n I n v e n t o r图形 库 和 MF C 应 用 程 序 框 架 ， 利用 C+ +语 言 编 制 了钢 管 混 凝 土 拱 桥 拱 肋 吊装仿 真力 学 分析软 件 。根据 用 户输入 的 构件 数据 或 导入 DX F数 据 文件 ， 生 成 三维 模 型 ， 并 可对 相 应 的构件 赋上 材料 属性 。 软件 的流程 图如 图 5所示 ： <—甬 N 录入或 导入模 型数据 吊机操作 ( 吊机臂伸缩、升降、平摆) 构件 连动 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．I ． ． 一 干涉 检验 窭 I ! 网格剖分， 力学分析 三 I Y l ： 拱肋注浆模拟分析 分析报告输出 图 4 吊装 系统 力学模型 一 在拱肋 吊装 过程 中 ， 各拱肋 都 是分段 吊装 的 ， 其 图5 软件流程 空 中姿态 各异 ， 为方 便 吊装及 安装 就位 ， 吊装 节段 可 软件 主要 功能 有 ： 能 存 在构件 倾 斜 ， 造 成 吊绳 的受力 与长度 均 不一致 ， ( 1 )具 有类 Wi n d o w操 作 界 面 ， 三 维 场 景建 模 ， 因此 吊点 的选择 非 常 重要 ， 必 须通 过 计 算 确 定 每 段 提 供 了三维 点 、 直 线 、 圆 弧 几何 对 象 ， 供 用 户创 建 构 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢管混凝土拱桥拱肋 吊装及注浆力学仿真分析 刘新根 6 1 件 ， 构件 创建 方 法 有 界 面 输 入 、 C AD导 入 和 文 本 数 据 导入 。 ( 2 )提供 了材料编辑库 ， 材料类型有梁、 杆和绳 索 3种 。 ( 3 )定 义 吊机 数据 及 吊机 臂 的操 作 。 吊机 臂 的 操作 有伸 缩 、 升 降 和 平 摆 3种 ， 在 吊机 臂 操 作 过 程 中 ， 可 以实时 地进行 干 涉检测 和结 构 内力变 形分 析 ， 并将 变形 分析 的结 果 反 馈 到 构件 的几 何 模 型 中 ， 以 便进一步进行干涉检测 。 ( 4 )自动生 成 网格 并 进 行 力 学 变 形 分 析 ， 可 直 观 地显示 模 型 内力 变形 图 。 ( 5 )动态 模 拟 拱 肋 吊装 过程 ， 并 实 时 进行 干 涉 检测 ， 以校 验装 配尺 寸 和构件 空 间安 装 是否 冲突 ， 如 有异 常则 实 时警示 。 ( 6 )模拟 拱肋 注浆 过程 并进行 力 学变形 分 析 。 ( 7 )自动生成计算分析报告 。 4工程 实例 4 ． 1 工程 简介 上海市某公路桥主桥采用下承式拱梁组合体系 钢桁 架拱 桥 ， 跨径 布 置 为 ( 3 0 +1 2 0 +3 0 )m， 主桥 桥 宽 2 0 ． 7 ～2 5 ． 1 m( 边 跨考 虑观 景平 台 ) ， 桥 主轴 成 东 西走 向( 见 图 6 ) 。拱 肋钢 结 构 采用 Q3 4 5 D钢 材 ， 内 灌 C 5 0微膨 胀 混凝 土 。单 片拱 肋 由上下 拱 肋 、 上 下 拱 肋 间桁 式腹 杆组 成 ( 见 图 7 ) ， 2片拱肋 间加 以风 撑 共 同组 成拱肋 系 。下 拱 肋 仅 位 于 主跨 范 围 ， 拱 脚 问 距 1 2 0 m， 拱肋 高 2 4 m， 矢 跨 比 1：5 。上拱 肋 布 置 于主跨及边跨 ， 拱脚 间距 1 7 8 m。该工程备有 3种 类 型 吊机 ， 起 重 额 定 重 量 分 别 为 5 0 0 t 、 2 0 0 t和 5 0 t ， 其 中 5 0 0 t 吊机设 置扁 担 。 市区 3 0 0 0 0 临港新城 3 0 0 0 0 下拱肋 单位：m 图 6拱 桥 立 面布 置 该工 程单 个拱 肋 构 件最 重 约 8 0 t ， 跨 中结 构 离 地 面高 约 3 5 m。 由于 临 近河 道 ， 场 地 有 限 ， 吊机 臂 最 大仰 角达 7 9 ． 4 8 。 ( 接 近极 限仰角 8 O ． 3 0 。 ) ， 所 以拱 肋 吊装是 该工 程重 大风 险源 之一 。 4 ． 2吊装 模 拟 在拱 肋 实 际 吊装 之 前 ， 采 用 吊装 仿 真力 学 分 析 图 7拱 肋 局 部 结 构 软 件 ， 针 对各 主要 风 险源 ， 通 过 不断 地模 拟 吊机 操作 和参数优化 ， 最终给出了一套安全可行的吊装方案 。 拱肋 总 体 吊装 流程 如 图 8 所 示 。 吊装前准 备 北侧拱肋吊装 南侧 拱肋 吊装 安装风撑 西 侧5 0 0 t 吊 东~ J s o o t 吊 机 就位 机就位 西侧半跨 拱平 东侧半跨 拱双机 移至桥面 平移至桥面 西侧5 0 0 t 、 东$ ~J 5 o o t 、2 0 0 t 2 0 0 t 吊机就位 吊机就 位 西侧半跨 拱双 东侧 半跨拱 双 机台吊翻身 机台吊翻身 西侧半跨拱双机 东侧半跨拱双机台 台吊下拱脚 就位 吊下拱脚 就位 I 『 l 北侧拱肋跨中合龙 I 安装风缆绳 与北侧 拱肋安装 步骤一 致 区 — 困 安装南侧边跨卜 _ —— 与北侧安装步骤一致 接缝补 漆 图 8吊 装 流 程 限于篇幅 ， 以下仅列举拱桥北侧靠东方向的半 拱 双机空 中翻转过 程 。半拱 双机 空 中翻转 是利用 调 节安 装在 下拱 肋 4个 吊点 ( 图 9所 示 的 2 、 4 、 6 、 8吊 点 ) 上 的手拉 葫芦 实 现 的 。施 工 时 将 下 拱 肋手 拉 葫 芦 同时缓 慢放 松 ， 使 拱 肋 由水 平 状 态 逐 渐 向垂 直 状 态 改变 ， 直至 到 达完 全 垂 直 状 态 。在 这 一 过 程 中下 拱 肋 吊点绳 索拉 力 释放 ， 是 整个 吊装 过 程 中最 为重 要 的一 环 ， 也 是最 危 险的一 环 。 半 拱双 机空 中翻 转软件 模 拟 的部 分 吊装过 程如 图 1 0所示 。 拱肋 每 翻转 1 0 。 时 ， 系 统 就 自动 进 行 一 次 力 学 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢管混凝 土拱桥拱肋 吊装及注浆 力学仿真分析 刘新根 6 3 设 计 ， 校 验 装 配 尺 寸 ， 避 免 结 构 构 件 制 作 、 安 装 的 错 误 。 ( 3 )在模 拟 构 件 吊装 过 程 中 ， 可 实 时 进 行 构 件 干涉检测 ， 确保构件安装就位 ， 对方案的空间操作顺 序 进行优 化 。 ( 4 )可模拟 拱 肋 注浆 的速 度 和 时 问 ， 并 进 行 相 应 的力 学变 形分 析 ， 计 算得 出拱 肋 的变 形量 和分 布 位 置与 实测 结果 基本 一 致 ， 软 件 模 拟 结果 对 现 场 施 工 具有 重要 的指 导意义 。 参 考 文 献 ： 1- 1 3田军伟．大跨度钢管混凝 土拱桥拱肋 吊装施 工控制E J 3 ． 公路与汽运 ， 2 0 1 2 ， ( 1 ) ： 1 6 4 —1 6 6 ． [ 2 ]李亚东 ， 姚 昌荣 ， 梁 艳．浅 论拱桥 的技术 进步 与挑 战 [ J ] ．桥梁建设 ， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 2 ) ： 1 3 —2 0 ． [ 3 2陈晓琳 ， 林 志威 ， 贺晓川 ， 等．杭州市 九堡大桥 主桥拱 肋 制造及安装技术E J ] ．世界桥梁 ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 3 ) ： 2 3 —2 7 ． 1- 4 ]袁海庆 ， 范小春 ， 范剑锋 ， 等．大跨度 钢管混 凝土拱 桥拱 肋吊装预测的迭代前 进算法 [ J ] ．中 国公 路学 报 ， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 3 ) ： 1 8 — 2 3 ． [ 5 ]渠昱．钢管混凝土拱桥拱肋 吊装 过程中的线形控制研 究 [ J ] ．公 路交通技 术 ， 2 0 1 0 ， ( 3 ) ： 6 9 —7 3 ． [ 6 ]张希黔 ， 石 毅．上海正大 广场钢结 构 吊装施工方 案虚 拟仿真系统E J ] ．施工技术 ， 2 0 0 0 ， 2 9 ( 8 ) ： 9 —1 1 ． [ 7 ]范立础．桥梁工程 E M] ．北京 ： 人 民交 通出版社 ， 2 0 0 1 ． 1- 8 3苏庆 田， 杨 国涛．拱肋外倾 角对异形 空间拱 桥受力 的影 响I- J ] ．桥梁建设 ， 2 0 1 1 ， ( 1 ) ： 1 4 —1 7 ． [ 9 ]辛俊红 ， 杨超．下承 式钢管拱 桥—— 空 间倾 斜 系杆拱 拱肋 吊装技术E J ] ．桥梁建设 ， 2 0 1 0 ， ( 6 ) ： 8 0 —8 3 ． [ 1 o ]刘秋晨．钢管混凝 土提篮拱桥 竖转施 工控制研 究( 硕士 学位论文) E D ] ．西安 ： 长安大学 ， 2 0 1 2 ． [ 1 1 ]陈宝春 ．钢管混凝土拱桥设计与施 工I- M- ] ．北京 ： 人 民 交通 出版社 ， 2 0 0 0 ． M e c h a n i c a l S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Ar c h Ri b Ho i s t i n g a n d I n s t a l l a t i o n a n d Co n c r e t i ng f o r Co n c r e t e 。_ Fi l l e d S t e e l Tu b u l a r Ar c h Br i d g e s LI U Xi n — ge n ( S h a n g h a i To n g y a n Ci v i l En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Co ． ，Lt d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：The h oi s t i n g a nd i ns t a l l a t i o n o f t he a r c h r i b s o f t he r e i nf or c e d c on c r e t e a r c h br i d ge i s v e r y c o mp l e x，a s e r i e s o f p r o b l e ms s h o u l d b e s o l v e d ，s u c h a s t h e p r e c i s e o v e r h e a d j o i n i n g o f t h e a r c h r i bs ，i nt e r f e r e n c e c he c ki n g of t h e s p a t i a l c o mpo ne nt s ，pr e c i s e c ont r ol l i n g o f t he a r c h a x l e a — l i gn me nt a n d t he me c ha n i c a l a n a l ys i s o f c on c r e t i ng ． Ac c or d i ng t o t he ge o me t r i c a l m o d e l a nd t h e l o a d b e a r i n g me c h a n i s m o f t h e a r c h b r i d g e 。t h e C+ + l a n g u a g e p r o g r a m wa s u s e d t o wo r k o u t t h e t hr e e — d i me ns i o na l v i r t ua 1 s i m u l a t i on v i s u a 1 a na l y s i s s o f t wa r e f o r t h e a r c h r i b ho i s t i ng a n d i ns t a l l a — t i o n a nd c o nc r e t i n g，S O a s t o r e a l i z e t h e i nt e gr a t i o n of t he p r oc e s s e s o f a r c h r i b ho i s t i ng a nd i ns t a l 一 1 a t i o n。c o nc r e t i n g s i m u l a t i o n a n d t he s t r u c t u r a l s t a t i c a na l y s i s ．The s o f t wa r e wa s us e d t o s i m u l a t e a n d do p i l o t o pe r a t i o n of t he a r c h r i b h oi s t i n g a nd i ns t a l l a t i o n a n d t he a r c h r i b c o nc r e t i n g p r oc e s s o f a n a r c h br i d g e i n S ha n gha i ，t h e s t a t i c a n a l ys i s wa s c a r r i e d ou t f o r t h e c o nc r e t i ng p r oc e s s，a n d t he d e s i gn p a r a me t e r s we r e o pt i m i z e d ． Fi na l l y，a s a f e a n d a pp l i c a bl e a r c h r i b ho i s t i ng a n d i ns t a l l a t i o n a n d c onc r e t i ng s c h e me wa s f o r m u l a t e d，p r o vi di n g r e f e r e nc e f o r g ui d i ng t he s i t e c o ns t r uc t i o n． Ke y wo r d s：a r c h b r i dg e；a r c h r i b；h o i s t i ng a nd i n s t a l l a t i o n i nt e r f e r e n c e c he c ki n g；c o nc r e t i n g s i mu l a t i o n；v i r t u a l s i mu l a t i o n；s t a t i c a n a l y s i s ；s o f t wa r e ( 编 辑 ： 赵 兴雅 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m