考虑施工过程的大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥受力分析.pdf

收稿日期22 第一作者简介 王 锋() ,男,年毕业于中南大学结构工程 专业,工学硕士,助理工程师。 文章编号: 16722 7479(2010)012 00952 03 考 虑 施 工 过 程 的 大 跨 径 钢 管 混 凝 土 劲 性 骨 架 拱 桥 受 力 分 析 王 锋 1 王平利 2 (11铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142; 21中交一航局第四工程有限公司,天津 300456) Analysis on M echan ical Behavior of SRC Arch Br idge with Large Span Concern i ng Process of Construction Wang FengWang Pingli 摘 要 结合宜万线铁路上一座大跨径劲性骨架混凝土拱桥,介绍了空间有限元精确模拟劲性骨 架混凝土拱桥施工过程的方法。采用大型通用工程软件对该桥施工过程进行模拟,并对施工过程中的 受力进行分析,进而对结构安全性作出评估,为类似拱桥的设计提供依据。 关键词 钢管混凝土劲性骨架 上承式拱桥 施工过程分析 有限元法 中图分类号: U445 文献标识码: B 图1 桥梁结构总布置(单位: cm) 近十几年来,劲性骨架混凝土拱桥在我国发展迅 速,它是利用型钢、 钢管或钢管混凝土作劲性骨架,然 后在其基础上搭建模板分段分层浇筑混凝土,形成的 劲性骨架混凝土拱桥。这种桥型充分发挥了各自材料 的特长,克服了大跨拱桥的施工困难,跨越能力很大。 在基础较好的峡谷地区,实现一跨过谷,具有不可比拟 的优势。拱肋的形成要经过一系列体系转换,其受力 非常复杂,往往控制设计。本文以宜万线铁路上某桥 为例,应用大型有限元软件ANSYS做空间有限元精细 模拟,进而对结构安全性作出综合评价,为类似拱桥的 设计提供依据。 1 工程概况 该大桥位于直线上,桥上纵坡为17. 7,为 级 双线铁路(预留复线) ,线间距,主桥一次双线, 是一座2跨峡谷的上承式劲性钢管混凝土骨架 钢筋混凝土拱桥(见图)。拱肋为劲性骨架钢筋混凝 59考虑施工过程的大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥受力分析:王 锋 王平利 : 2009 12 09 :19802008 4 . 2 m 1 178 m 1 土箱型,拱脚有3 m长实心段,两片分离拱肋采用提篮 式布置,倾角为51057,拱顶内倾315 m。拱立面内矢 高为39155m,拱肋轴线为悬链线,拱轴系数m=21814 m。拱上立柱为双柱墩,在拱肋立柱及拱顶设横撑。 拱顶4715 m长的一段做成框架,每隔915 m设一道断 缝,两侧各采用1联514 m连续梁。 2 施工顺序 本桥施工的顺序为: 拱肋的施工; 拱上立柱的 施工; 拱上框架的施工; 脚手架上施工桥面纵梁。 其中,拱肋的施工步骤又分为:先用缆索吊装施工钢管 骨架,然后灌注管内混凝土,待混凝土达到设计强度后 再分环灌注外包混凝土。按结构性质,拱肋将经历三 种状态 7 。 (1)劲性骨架状态:在泵送管内混凝土时,承重结 构只有钢结构,而混凝土只作为荷载,不计抗力。当混 凝土达到强度要求时,钢管和混凝土共同工作,成为刚 管混凝土劲性骨架。 (2)劲性骨架的一部分被混凝土包裹的状态:当 混凝土还未硬凝时,混凝土只计重量,不计抗力。但当 混凝土硬凝后,由于混凝土的截面比骨架杆件的截面 大得多,结构受力主要靠混凝土,而骨架杆件的作用就 变得次要。 (3)成拱状态(拱肋三环混凝土浇注完成):劲性 骨架则逐步成为拱圈截面混凝土的永久性配筋。 3 计算模型 本文采用大型通用软件ANSYS的“ 单元生死技 术 ” 1 - 2 模拟本桥的施工过程 ,其优点是只需进行一 次分析模型的建立,即在分析前一次性将成桥状态的 全桥分析模型建立好,然后根据各个阶段的施工状况, 通过激活或杀死单元以及设置相应的荷载步来模拟桥 梁施工全过程。在分析过程中,可以通过局部处理将 各个施工工况的单元内力和结点位移随时保存,供下 一施工阶段使用。 311 单元类型的选择 目前在大部分通用有限元程序中,可以用于模拟 钢管混凝土劲性骨架拱桥的单元类型有若干种。不同 种类单元,在计算精度、 构建模型的难易程度和计算量 大小等诸方面存在较大差异。因此,如何针对钢管混 凝土劲性骨架拱桥施工过程中各部位受力特点选择相 应的单元类型是结构分析的关键。 本文主要基于以下原则来选择单元选取的单 元必须能最大程度地模拟结构的受力特性; 必须保证计算结果具有足够的精度; 有限元模型建立要尽量简便,计算工作量要尽 量小,进行结果处理时也要比较方便。因此,在该大桥 施工过程的受力分析中共用到了ANSYS软件中的4 种单元类型 26 。 空间曲梁单元(beaml89) :主要模拟桁架拱肋 的空钢管以及混凝土灌注后钢管内的混凝土。 空间直梁单元(beam188):模拟钢管桁架内的 所有弦杆,拱肋间的横撑以及拱上立柱。 壳单元(shell63):模拟桥面纵梁以及拱顶框架。 8结点的块体单元(solid65):模拟拱肋钢骨架 的外包混凝土。 312 有限元模型 在有限元建模过程中,把钢管混凝土看成钢管与 混凝土的组合 6 ,生成共节点的两个单元,各自的材 料特性与实常数根据实际情况取定。这种方法中,钢 单元和混凝土单元是分开的,便于模拟施工过程。钢 管内混凝土在未达到强度时,仅作为荷载作用于钢管 上,按均布荷载进行处理;达到强度要求后,考虑混凝 土的抗力,但不考虑钢管对管内混凝土的套箍作用。 外包混凝土和劲性骨架分别用块体元和空间梁元 进行模拟,它们之间的共同作用通过共节点模拟。计 算模型的选定过程,充分考虑了计算简图与实桥工作 状态的一致性,主要体现在: (1)骨架结构的杆件布置、 连接情况、 截面尺寸均 保持与设计图纸提供的情况相同,没有添舍任何构件, 也未改变各结点的设计位置,计算简图与提供的设计 图一致。 (2)骨架外包混凝土采用块体单元模拟,保证了 计算精度。 (3)把施工活载换算成集中力施加到各个节点 上,并且考虑了风荷载,风荷载按照铁路桥涵基本规范 计入,主桥施工过程中采用极大风速V=25 m / s,通过 计算W= 713 Pa。在每一个施工阶段内,用荷载增量 法进行分析。施工过程的有限元模型见图2 图5。 图 劲性骨架有限元模型 69铁 道 勘 察2010年第1期 : 2 图3 施工过程中的有限元局部 图4 拱肋施工完毕后的模型 图5 全桥施工完毕后的模型 4 计算结果及分析 411 计算结果 计算时考虑结构的几何非线性而不考虑材料非线 性。限于篇幅仅列出典型阶段的结果。骨架钢管应力 见图7 图10,其中1号 4号钢管位置见图6所示。 拱肋混凝土横截面正应力见图11 图13。 图6 拱肋钢管编号 1 结果分析 ( )拱肋骨架钢管除号钢管拱脚局部出现拉应 图7 灌注上弦混凝土时拱肋钢管应力 图8 灌注完底板时拱肋钢管应力 图9 灌注完腹板时拱肋钢管应力 图10 灌注完顶板时拱肋钢管应力 图11 灌注完腹板时拱肋混凝土应力 图 灌注完顶板时拱肋混凝土应力 力外,均处于受压状态;在施工同一环外包混凝土时, 都是随着施工阶段的增长压应力增加。 79考虑施工过程的大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥受力分析:王 锋 王平利 4 2 12 12 图13 恒载+双线满布活载作用下拱肋混凝土应力 (2)施工第一环混凝土时钢管应力增长比较快; 第二环和第三环混凝土施工时,由于前一环混凝土达 到强度要求,大大增加了受力面积,施工荷载主要由混 凝土承担,使得钢管应力变化很小。 (3)拱肋混凝土在施工过程中均处于受压状态, 底板混凝土压应力最大。随着施工的进展,底板混凝 土压应力逐渐增加。成桥后在恒载+双线满布活载 下,混凝土最大压应力出现在上坡端拱脚实心段顶部 的内侧角点,最大值为- 1111MPa,小于C50混凝土的 极限强度,拱肋底板混凝土处于受力安全状态。 5 结束语 ( )劲性骨架钢管和外包混凝土均处于弹性阶 段,选择的材料本构关系比较合理。 (2)劲性骨架在拱圈外包混凝土分环施工过程中 的作用逐渐减弱。从分析中可以看出:在拱圈底板混 凝土参加工作后,劲性骨架的作用就很小了。 (3)拱肋混凝土整个施工过程均处于受压状态, 说明设计选择的拱肋曲线比较合理。 (4)在设计荷载作用下,拱肋混凝土的压应力呈 现出越靠近拱脚应力越大的趋势,从材料均匀受力的 角度看,还可以进一步优化截面。 参考文献 1 李 亮,叶梅新.劲性骨架混凝土拱结构施工阶段的稳定性分析 J .山西建筑, 2007(2): 2942295 2 郑皆连,徐风云,等.广西邕宁邕江大桥千斤顶斜拉扣挂悬拼架设 钢骨拱桁架施工仿真计算方法 C 中国公路学会1996桥梁学 术讨论会论文集.北京:人民交通出版社, 1996: 2142228 3 吴进明.钢管混凝土拱桥施工技术研究及有限元分析D .上海: 同济大学, 2006 4 张治成.钢管混凝土拱桥混凝土灌注阶段的受力仿真分析 J .工 程力学,2007, 24(02): 1462153 5 颜东煌,赖敏芝,张克波,等.茅草街大桥基于ANSYS的空间计算 模型 J .长沙交通学院学报,2003, 19(2) 6 杨炳成,邬刚柔,刘 剑 大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥非线性 分析桥梁建设,6( )52 收稿日期: 2010201207 作者简介:赵 泓(1962) ,女, 1984年毕业于湖北大学数学专业,理 学学士。 文章编号: 16722 7479(2010)012 00982 03 加 强 企 业 合 同 管 理 工 作,规 避 国 际 项 目 风 险 赵 泓 (中铁国际经济合作有限公司,北京 100055) To Strengthen EnterprisesContractManagem ent and Avoid Risks in International Projects Zhao Hong 摘 要 掌握国外法律、 政治宗教和有关政策等方面的特点,加强海外项目从合同签定到合同履约 的全过程,合同管理和风险控制显得愈来愈重要。通过进行投标风险辨识、 风险控制和风险转移等手段 巧妙地避免和转移各种风险,提高企业的管理水平和经济效益。 关键词 合同管理 风险控制 履约 国际法律 中图分类号: F506 文献标识码: B 目前,为应对金融危机带来的影响,国家一方面相继推出了进一步扩大内需、 加大基础设施投入、 促进经 济增长的积极财政政策和适度宽松的货币政策等重大 举措,确保国民经济平稳较快发展;另一方面,国家凭 借雄厚的外汇储备,加大与其他国家和地区在能源、 基 89铁 道 勘 察2010年第1期 1 . J .2001 :7