顶推施工中支座脱空对混凝土箱梁受力性能的影响分析.pdf

蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯 4摇 结论 通过对郑州农业路上跨郑州北编组站桥梁方案进 行充分的技术比较和安全论证,4 个桥梁方案均是合 格的备选方案。 相对而言,方案 1 双塔斜拉桥结构更 加合理,体系运用成熟;采用顶推施工,施工方便且风 险较小,对铁路和既有建筑的影响小,工期最短;具有 较强的技术先进性和良好的经济性;后期可结合郑州 文化特点对桥塔景观性进行装饰美化,突出结构对称 韵律美。 因此,推荐采用方案 1:(126+200+126) m 双 塔斜拉桥。 参考文献: 1摇 中华人民共和国住房和城乡建设部. CJJ112011城市桥梁设计 规范S. 北京:中国建筑工业出版社,2012. 2摇 魏毅强. 保阜高速公路跨京广铁路立交桥梁方案研究J. 铁道标 准设计,2013(4):6568. 3摇 曹全. 张涿高速公路卧佛寺连接线永定河大桥方案研究J. 铁道 标准设计,2014,58(1):7276. 4摇 张池权. 上海金山铁路春申特大桥主桥设计与施工J. 铁道标准 设计,2012(7):6468. 5摇 张贵明,陈湘林. 顶推法施工斜拉桥J. 桥梁建设,1998(3): 6871. 6摇 周孟波. 斜拉桥手册 M. 北京:人民交通出版社,2003. 7摇 范立础. 桥梁工程(上、下册)M. 北京:人民交通出版社,2001. 8摇 罗春林. 武九客运专线西南下行联络线特大桥主桥桥式方案比选 J. 铁道标准设计,2015,59(6):7379. 9摇 杨克鉴,王俊杰. 津秦客运专线戴河桥桥式方案设计J. 铁道标 准设计,2007(2):5052. 10 康炜. 大西客运专线晋陕黄河特大桥主桥桥式方案比选J. 铁道 标准设计,2011(S):5257. 11 左家强. 太中银铁路中宁黄河特大桥桥式方案研究J. 铁道工程 学报,2013(12):3640. 12 吴冲. 现代钢桥(上册) M. 北京:人民交通出版社,2006. 收稿日期:20151008; 修回日期:20151019 作者简介:罗泽辉(1982),男,工程师,2009 年毕业于西南交通大学 桥梁工程专业,工学硕士,E鄄mail:zhluo2006163. com。 第 60 卷摇 第 5 期 2016 年 5 月 铁 道 标 准 设 计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol. 60摇 No. 5 May 2016 文章编号:10042954(2016)05006405 顶推施工中支座脱空对混凝土箱梁 受力性能的影响分析 罗泽辉1, 李冲杰2 (1郾 中铁二院工程集团有限责任公司,成都摇 610031;2郾 中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司,昆明摇 650200) 摘摇 要:在顶推施工过程中,由于滑道高程控制不精确、施工管理不当等因素会导致支座脱空,从而导致支反力的 重分布,某些支座支反力必然增加,在支撑位置附近局部应力会比较突出,所以有必要研究支座脱空对混凝土箱梁 受力性能的影响。 结合某预应力混凝土连续箱梁桥顶推施工实例,通过建立三维有限元实体模型,选取某工况下 的支座发生脱空进行分析。 计算结果表明:支座脱空对支座支反力及箱梁的局部应力影响比较大,减小了顶板受 拉和底板的受压安全储备,梁体下挠位移增大,增加了摩阻力,应在施工过程中严密监控支座,避免发生支座脱空。 关键词:混凝土箱梁; 顶推施工; 支座脱空; 受力性能 中图分类号:U445郾 462摇 摇 文献标识码:A摇 摇 DOI:10. 13238/ j. issn. 1004-2954. 2016. 05. 014 Influences of Bearing Cavity on the Mechanic Performance of Concrete Box Girder during Incremental Launching LUO Ze鄄hui1, LI Chong鄄jie2 ( 1. China Railway Eryuan Engineering Group Co. , Ltd. , Chengdu 610031, China; 2. Kunming Survey Incremental launching; Bearing cavity; Mechanic performance 摇 摇 随着现代工程技术的快速发展,新的施工技术和 方法广泛应用到桥梁建设中来,顶推施工方法就是桥 梁建设中常用的施工方法之一1 5。 顶推施工过程 中,结构体系不断发生变化,主梁各截面要反复经历正 负弯矩的变化,对施工控制的要求较高 6,8。 但由于 滑道高程控制不精确、施工管理不当等因素有可能导 致支座脱空,从而导致支反力的重分布,某些支座支反 力必然增加,在支撑位置附近局部应力会比较突出。 经查阅相关文献,发现没有对此类问题展开详细研究, 所以有必要研究支座脱空对 PC 箱梁受力特性的影 响。 结合某预应力混凝土连续箱梁桥顶推施工实例, 通过建立三维有限元实体模型,选取某工况下的支座 发生脱空进行分析。 1摇 支座脱空的原因及后果 1郾 1摇 支座脱空的原因 顶推施工中发生支座脱空的原因有以下几方面: (1)与梁底板接触的支座高程不准确,设计中考虑不 周,或者桩的施工质量有差异,导致各桩的沉降量有差 异,进而引起支座高程的变化;(2)梁底板不平顺,在 浇筑梁体时,由于施工控制质量不严或模板粗糙等原 因造成底板不平整,梁节段拼接不平顺,致使梁底部不 能与支座密切贴合在同一水平面;(3)在顶推施工过 程中,操作人员操作不当,如填喂滑块的厚度未按要 求、拖拉不同步造成的支座脱空;(4)还有临时支撑和 滑 道 的 施 工 控 制 质 量 的 好 坏 同 样 会 造 成 支 座 脱空9 11。 1郾 2摇 带来的后果 支座起到将上部结构的荷载传递到下部结构。 如 果支座有所变化,使桥梁结构体系产生变化,将对上部 结构和下部结构产生不利影响,进而会影响到桥梁结 构的安全。 支座脱空,必然造成某些支座的支反力增 加,造成梁体局部应力偏大,甚至产生屈曲和裂缝,使 结构处于不安全状态;支反力过大,也有可能造成临时 滑道发生屈曲;对于下部结构,桥墩只有一侧受摩擦 力,导致桥墩受扭,不利于顶推施工;延误工期、增加了 施工成本。 2摇 工程概况 主桥为预应力混凝土连续箱梁桥,孔径布置为 (39+60+36) m,其中主跨 60 m 跨既有铁路,桥跨布置 如图 1 所示。 箱梁结构采用单箱三室、等高度截面,梁 平均高度为 3郾 43 m,箱梁顶面设 2%的横坡,截面中心 处梁高3郾 56 m,1/2 箱梁横截面见图2。 该桥采用顶推 法施工,预应力混凝土箱梁长 80 m,悬臂钢导梁长 36 m,顶推距离为 102 m,最大顶推跨径为 54 m。 其上 部结构总质量达5 600 多 t,本次顶推施工利用 6 台 5 000 kN顶力的千斤顶,最终实现 PC 箱梁横跨既有铁 路线。 图 1摇 桥跨总体布置(单位:cm) 摇 图 2摇 1/2 箱梁横截面(单位:cm) 摇 3摇 三维有限元实体模型的建立 由于有限元杆单元无法模拟,所以须建立三维有 限元实体模型,ANSYS 是进行结构有限元分析的有效 工具,它有着大量的单元可供选择,并具有非常完备强 56第 5 期罗泽辉,李冲杰顶推施工中支座脱空对混凝土箱梁受力性能的影响分析 大的前处理和后处理功能,可用于预应力混凝土结构 的计算分析12。 3郾 1摇 单元材料特性 因为混凝土连续箱梁其受力比较复杂,因此为了 比较精确和真实地反映混凝土箱梁的局部应力,对跨 既有铁路桥顶推施工应力的分析选用 ANSYS 13,14建 立空间有限元模型。 建模单元选择:(1)空间实体单 元 Solid45:模拟混凝土箱梁;(2)空间杆单元 Link8:模 拟预应力筋;(3)壳单元 Shell63:模拟导梁。 3 种计算 模型材料特性见表 1。 表 1摇 计算模型材料特性 部件单元类型弹性模量/ MPa线膨胀系数/ (1/ 益)泊松比质量密度/ (kg/ m3) 混凝土Solid453郾 45伊1041郾 00伊10-50郾 22郾 60伊103 预应力筋Link81郾 95伊10111郾 20伊10-50郾 38郾 01伊103 钢导梁Shell632郾 06伊10111郾 20伊10-50郾 37郾 85伊103 3郾 2摇 预应力筋的模拟 在 ANSYS 中,常用的 PC 梁分析方法有等效荷载 法和实体力筋法,对于复杂的预应力混凝土模型,通常 选用实体力筋法,实体力筋法建模有实体分割法、节点 耦合法和约束方程法。 约束方程法的基本思路是分别 建立混凝土梁和预应力筋,然后进行网格划分,不同的 是约束方程法是混凝土单元节点和预应力筋单元节点 之间建立约束方程,只需选择预应力筋上的节点,用命 令自动选择附近混凝土单元上的数个节点,设置在容 差范围,在该范围内与预应力筋的一个节点建立约束 方程,因为混凝土单元节点较多,所以就有多组约束方 程,通过约束方程将预应力筋单元和混凝土单元连接 为整体。 对比节点耦合法,约束方程法建模更为简单、 更符合实际情况、计算效率也更高和计算结果也更为 精确。 本桥的预应力筋模型采用约束方程法,预应力 筋模型见图 3。 图 3摇 预应力筋单元 摇 3郾 3摇 导梁与混凝土梁的连接方法 顶推施工钢导梁采用板壳单元,混凝土梁采用 3D 实体单元。 板壳单元与 3D 实体单元用节点建模时可 认为其连接是铰接,而做刚性连接的处理可通过约束 方程或者采用创建刚性区自动建立约束方程来实现。 采用约束方程法来实现,它是在界面上自动生成约束 方程,将两个具有不同网格的区域通过约束方程联系 起来,即通过所选择某个区域的节点与另外区域的所 选择的单元建立约束方程。 节点从网格密度大的区域 (混凝土单元)选择,而单元则从网格密度小的区域 (预应力筋单元)选择,混凝土节点的自由度用预应力 筋单元节点的自由度内插建立约束方程,内插方法采 用预应力筋单元的形函数。 三维实体有限元模型见图 4,其中 X 方向为横桥向,Y 方向为竖桥向,Z 方向为纵 桥向。 图 4摇 空间有限元模型 摇 4摇 计算结果分析 4郾 1摇 支座脱空对支反力的影响 在顶推过程中,发现某些支座有脱空现象,每个桥 墩上有两个支座,用梁单元无法准确模拟支座脱空,只 有建立在实体模型下,才能准确模拟支座脱空对顶推 施工的影响。 研究箱梁顶推 37 m 时(图 5),3 号临时 墩上右侧支座发生脱空,设无支座脱空为工况 1,发生 支座脱空为工况 2,支反力变化结果如表 2 所示。 施 工由于临时墩与永久墩之间跨度小,且临时墩与永久 墩之间用钢桁架相连,增加了稳定性,计算结果不考虑 临时墩与永久墩之间的刚度差带来的影响。 表 2摇 两种工况下的支反力kN 墩号 6 号永久墩2 号临时墩7 号永久墩3 号临时墩 LRLRLRLR 工况 111 321 11 3223 2223 2224 3624 36110 164 10 164 工况 211 960 10 9094 39938511 6540脱空 18 834 增长率/ %6-437-88167-10085 摇 摇 注:每个墩上放置 2 个支座,L 代表左边支座支反力,R 代表右边支 座支反力 66铁 道 标 准 设 计第 60 卷 图 5摇 顶推立面布置(单位:cm) 摇 由表 2 可知:工况 1 与工况 2 对比分析,支座脱空 对支反力有较大影响,7 号永久墩的左侧支座支反力 增加了 167%,右侧也出现了支座脱空现象。 4郾 2摇 支座脱空对箱梁局部应力影响 由表 2 可知,支座脱空对支反力的影响较大,为了 更进一步了解支座脱空下混凝土箱梁的应力状态,必 须进一步研究支座对混凝土箱梁的作用。 两种工况下 的 Z 向正应力如图 6、图 7 所示。 图 6摇 工况 1 主梁 Z 向正应力云图 摇 图 7摇 工况 2 主梁 Z 向正应力云图 摇 由应力云图可知,最大正应力发生在支座附近,为 研究方便,纵桥向正应力只提取 3 号墩前后 4 m,纵桥 向的正应力和横桥向的正应力对比分析结果如图 8 图 11 所示,其中支座位于 Z 方向 4 m,X 方向 4 m 和 11 m。 图 8摇 顶板 Z 方向应力对比 摇 图 9摇 顶板 X 方向应力对比 摇 图 10摇 底板 Z 方向应力对比 摇 由图 8 图 11 可知,支座脱空对箱梁局部应力影 响较大,对于顶板,工况 1 时 Z 方向最大正应力为 -0郾 71 MPa,X 方向最大正应力-1郾 49 MPa;对于发生 支座脱空的工况 2 时 Z 方向最大正应力为 1郾 49 MPa, X 方向最大正应力 0郾 76 MPa。 对于底板,工况 1 时 Z 方向最大正应力为-18郾 18 MPa,X 方向最大压应力- 8郾 33 MPa;对于发生支座脱空的工况 2,Z 方向最大正 76第 5 期罗泽辉,李冲杰顶推施工中支座脱空对混凝土箱梁受力性能的影响分析 图 11摇 底板 X 方向应力对比 摇 应力为-22郾 33 MPa,X 方向最大压应力-10郾 32 MPa。 4郾 3摇 支座脱空对箱梁位移影响 位移结果提取的范围与应力一样,其计算结果如 图 12、图 13 所示。 图 12摇 Z 方向位移对比 摇 图 13摇 X 方向位移对比 摇 由图 12、图 13 可知,支座脱空对箱梁位移影响较 大,工况 1 时 Z 方向最大负位移为-3郾 99 mm,X 方向 最大负位移-1郾 05 mm;对于发生支座脱空的工况 2,Z 方向最大负位移为-5郾 92 mm,X 方向最大负位移为 -17郾 33 mm。 摇 5摇 总结及建议 (1)支座脱空对支座支反力影响较大,支座左右 支反力不同,进而导致摩擦力不一样,使墩受扭,出现 不同步现象,造成梁体横向偏移,形成恶性循环,所以 支座脱空带来的后果非常严重,在顶推施工中应禁止 出现支座脱空现象。 (2)支座脱空对箱梁的局部应力影响比较大,减 小了顶板受拉和底板的受压安全储备,应在施工过程 中严密监控支座,避免发生支座脱空。 (3)考虑到顶推过程支座受力不均匀的影响,在 设计中需考虑增加临时墩及梁体的安全储备系数。 (4)支座脱空对箱梁的位移影响较大,尤其是下 挠位移,增大了水平分力,不利于梁体拖行。 (5) 对于已发生支座脱空的情况,应及时用楔形 结构进行填塞,降低支座脱空带来的隐患。 (6)在顶推施工中,支座脱空有可能虚接触,要以 滑块是否滑动作为判断依据,当梁体在滑动,滑块不动 的情况下表明已经脱空。 (7)在顶推施工前,应对顶推施工操作人员进行 培训,做好技术交底,按要求进行施工,及时发现、反馈 问题。 参考文献: 1摇 周如意. 预应力混凝土连续箱梁桥施工监控方法的研究D. 南 宁:广西大学,2012. 2摇 刘宏文. 五里亭大桥主桥连续箱梁预制拼装顶推施工技术J. 铁 道建筑技术,2004(4):1113. 3摇 周光强. 大跨梁拱组合桥顶推法施工关键技术D. 重庆:重庆交 通大学,2012. 4摇 王国栋. 大西铁路客运专线连续钢箱梁设计及顶推施工研究J. 铁道标准设计,2014,58(8):8587. 5摇 毛颖. 预应力混凝土连续梁大跨径顶推新技术J. 公路交通科 技,2014(6):225227. 6摇 张丽璞. 济南经六路跨铁路大桥施工控制研究D. 武汉:华中科 技大学,2005. 7摇 焦亚萌,李辉. 跨铁路整体钢箱梁顶推竖向变形控制技术J. 铁 道标准设计,2014,58(3):7679. 8摇 苏国明. 跨既有线顶推施工预应力混凝土箱梁设计及施工需要注 意的问题J. 铁道标准设计,2012(2):3233. 9摇 王文华. 季冻区高速公路板梁支座脱空现象分析及防治措施J. 长春工程学院学报,2013,14(1):14. 10 朱小青,陈准,于品德. 支座脱空对西张村大桥受力性能的影响 J. 郑州大学学报:工学版,2010,31(5):7073. 11 方建华,付文峰,李承昌. 公路桥梁板式橡胶支座失效判别及更换 原则J. 公路交通科技:应用技术版,2007(6):120122. 12 李国平. 预应力混凝土结构设计原理M. 北京:人民交通出版 社,2000. 13 王新敏. ANSYS 工程结构数值分析M. 北京:人民交通出版 社,2013. 14 邵旭东. 桥梁设计百问M. 北京:人民交通出版社,2003. 86铁 道 标 准 设 计第 60 卷