大跨径钢混组合骨架转体桥拱肋张拉脱架有限元计算模拟.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 5.0 2 0大跨径钢混组合骨架转体桥拱肋张拉脱架有限元计算模拟向 猛1,李 智2,邹 汛3(1.鹤峰县公路建设管理所,恩施4 4 5 8 0 0;2.汉江国家实验室,武汉4 3 0 0 7 0;3.武汉马房山理工工程结构检测有限公司,武汉4 3 0 0 7 0)摘 要:论文通过有限元计算模拟,对大跨径钢混组合骨架转体桥转动体系中拱肋的张拉脱架行为进行分析。通过建立适当的有限元模型,考虑结构的非线性特性,探究拱肋张拉脱架对桥梁整体结构的影响,并提出相应的设计建议。关键词:转体桥;有限元模拟;拱肋张拉脱架F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i sS i m u l a t i o no fL o n g-s p a nS t e e l-c o n c r e t eC o m p o s i t eS k e l e t o nR o t a t i n gB r i d g eA r c hT e n s i o na n dD i s m a n t l i n gX I ANGM e n g1,L IZ h i2,Z O UX u n3(1.H e f e n gC o u n t yH i g h w a yC o n s t r u c t i o nM a n a g e m e n tO f f i c e,E n s h i 4 4 5 8 0 0,C h i n a;2.H a n j i a n gN a t i o n a lL a b o r a t o r y,W u h a n4 3 0 0 7 0,C h i n a;3.Wu h a nM a f a n g s h a nE n g i n e e r i n gS t r u c t u r a l I n s p e c t i o nC o,L t d,W u h a n4 3 0 0 7 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h i ss t u d ya n a l y z e t h e t e n s i o na n dd i s m a n t l i n gb e h a v i o ro fa r c hr i b s i nt h er o t a t i n gs y s t e mo f l o n g-s p a ns t e e l-c o n c r e t ec o m p o s i t es k e l e t o nb r i d g e s t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss i m u l a t i o n.B ye s t a b l i s h i n ga p p r o p r i a t ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sa n dc o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r a ln o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s,t h i ss t u d ye x p l o r et h e i m p a c to fa r c ht e n s i o na n dd i s m a n t l i n go nt h eo v e r a l lb r i d g es t r u c t u r ea n dp r o v i d e sc o r r e s p o n d i n gd e s i g nr e c o mm e n d a t i o n s.K e yw o r d s:r o t a t i n gb r i d g e;f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n;a r c ht e n s i o na n dd i s m a n t l i n g收稿日期:2 0 2 3-0 8-2 1.作者简介:向 猛(1 9 8 6-),工程师.E-m a i l:1 6 4 4 3 2 3 1 6q q.c o m随着交通运输的发展和城市化进程的加快,大跨径桥梁在现代城市建设中扮演着重要角色。转体桥作为一种重要的大跨径桥梁形式,由于其独特的结构形式和优越的技术性能,在桥梁工程领域得到广泛应用1,2。大跨径钢混组合骨架转体桥转动体系作为转体桥的一种典型形式,具有结构简洁、承载能力大等优势,在桥梁工程领域也得到了广泛应用和推广3-5。然而,随着转体桥的不断发展和跨径的不断增大,桥梁的结构性能也面临着新的挑战。其中,转体桥中拱肋的张拉脱架问题是桥梁转体施工前,危险系数很大的重要施工工序6。拱肋张拉脱架是指桥梁在转体施工前,将依据当地地形建造的拱肋从钢架支撑上脱离。进而整个转动体系由转体球铰支撑,并立即进行转体施工。由于拱肋质量很大,为了保证拱肋和背墙交界墩的位移不超过材料本身的最大承受限度,其张拉过程需要将扣索(拱肋与交接墩的连接)和背索(交接墩和转动磨盘的连接)交替张拉,达到最终目标索力7。目前,我国的转体桥已经得到了广泛的应用。然而,由于施工难度、桥梁使用环境和荷载等因素的影响,转体桥拱肋张拉脱架过程尤为关键,其问题主要聚焦于转体桥拱肋张拉脱架中背索和扣索张拉阶段的拱肋变形和背墙位移8。在目前的转体桥拱肋张拉脱架问题的解决中,常用的方式是采用手工计算并现场施工复核。然而,该方法计算量大,需要投入许多算力。因此,引入数值模拟分析成为研究转体桥拱肋张拉脱架行为的必要手段9。有限元计算模拟作为一种有效的数值分析方法,可以模拟桥梁在不同工况下的力学行为,对转体桥拱肋张拉脱架问题进行深入研究。28建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期论文研究了大跨径钢混组合骨架转体桥转动体系拱肋张拉脱架过程中的有限元计算模拟。首先,通过M I D A S/C i v i l建立大跨径钢混组合骨架转体桥的有限元模型;其次,分析背索和扣索张拉阶段的拱肋变形和背墙位移情况;最后,根据研究结果提出对未来转体桥设计和施工的建议,以期提高转体桥的安全性和可靠性。1 工程概况图1和图2分别为南渡江转体拱桥拱肋和背墙立面图。拱肋分为3 7个节段(图1),其中3 7号节段为跨中合拢段,图中只有一半,另一半于河对岸对称建造。图2中的背墙交界墩为中空设计,为达到预定尺寸和质量,其与转出体系的拱肋质量平衡。2 有限元模型建立2.1 桥梁有限元模型两岸转动体系对称,计算模型只考虑了一个转动体系。整个模型分为83 2 6个节点、74 6 5个单元,其中八节点实体单元47 5 4个,四节点厚板单元11 6 0个,只受拉拉索单元9 6个,梁单元14 5 5个,转动体底部采用固结的方式约束。拉索采用只考虑拉力的索类单元,不考虑其抗弯刚度,而计入拉索的垂度效应。拉索张拉采用施加初拉力的方法模拟。建立的南渡江转动体系如图3所示。通过在拉索单元上施加初始单位拉力,然后采用程序计算未知系数的目标优化功能(见图4),计算满足约束条件时的拉索索力。其约束条件为:拱肋顶部的标高控制在0,1 0mm之间,墩顶位移控制在1mm以内来模拟脱架。2.2 背索与扣索张拉阶段模拟以第一阶段的背索张拉(图5)和最后一个阶段的扣索张拉(图6)为例,进行背索和扣索张拉阶段的模拟分析。38建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期表1 拱肋关键部位混凝土应力表板号位置应力/MP a板号位置应力/MP a板号位置应力/MP a板号位置应力/MP a1上-1.3 6下0.5 21 0上-3.5 1下-4.5 71 9上-6.6 5下-8.1 52 8上-7.3 1下-8.7 12上-1.1 0下0.2 01 1上-4.0 6下-5.0 02 0上-6.8 4下-8.3 52 9上-7.2 5下-8.6 33上-1.2 1下-0.0 91 2上-4.4 5下-5.5 52 1上-7.0 3下-8.5 83 0上-7.1 2下-8.3 84上-1.1 9下-0.2 81 3上-4.8 6下-5.9 82 2上-7.1 5下-8.6 93 1上-6.9 7下-8.2 55上-1.3 1下-0.6 81 4上-5.1 8下-6.4 52 3上-7.2 8下-8.8 53 2上-6.7 9下-7.8 56上-1.4 6下-0.8 21 5上-5.5 5下-6.8 42 4上-7.3 4下-8.8 63 3上-6.5 9下-7.3 07上-1.4 9下-1.1 61 6上-5.8 5下-7.2 12 5上-7.4 1下-8.9 23 4上-6.2 7下-7.1 78上-1.7 7下-1.2 81 7上-6.1 5下-7.5 72 6上-7.3 8下-8.8 83 5上-1.3 8下-1.4 19上-1.9 3下-1.3 71 8上-6.4 0下-7.8 52 7上-7.4 0下-8.8 53 6上0.1 8下-0.1 9 由表1可 以看出,模 拟脱架后,拱 肋在1号 点处拱 肋 下 弦 混 凝 土 板 顶 部 出 现 拉 应 力,最 大 值 为0.5 2MP a。而底板均为压应力,数值均小于9MP a,低于混凝土的屈服强度。48建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期3 结 论a.通过有限元计算模拟,能够对拱肋张拉脱架的行为进行详细分析,并提供较为准确的数值结果,为桥梁设计和施工提供了可靠的参考依据。b.根据计算结果,拱肋变形、背墙位移以及拱肋下弦混凝土应力都在安全范围内,未超过设计要求和结构承载能力的限制。c.可以根据转体桥拱肋张拉脱架各个张拉阶段的拱肋变形和背墙位移最大值采取适当的措施来预防和控制施工过程,并确保桥梁的整体安全性和可靠性。综上所述,该研究通过有限元计算模拟,对大跨径钢混组合骨架转体桥转动体系中拱肋的张拉脱架行为进行了研究。数值模拟方法具有较高的准确性和可靠性,能够为转体桥的设计与施工提供参考和指导,为转体桥张拉脱架过程中的稳定性和可靠性提供了保障。参考文献1 张联燕,谭邦明.桥梁转体施工技术M.北京:人民交通出版社,2 0 0 2.2 尹耀霄,刘 争,刘 涛.基于非赫兹接触理论下的转体施工过程抗倾覆分析J.交通科技,2 0 2 0(4):3 2-3 6.3 L i uT,Y uQ,F a nJ,e ta l.C o n c r e t eS p h e r i c a l J o i n tC o n t a c tS t r e s sD i s t r i b u t i o na n dO v e r t u r n i n gM o m e n to fS w i n gB r i d g eJ.S t r u c t u r e s,2 0 2 0(2 8):1 1 8 7-1 1 9 5.4 范剑锋,刘 涛,彭自强,等.基于非赫兹接触理论下转体桥球铰磨心应力分布分析J.武汉理工大学学报,2 0 1 8,4 0(1):4 8-5 2.5 车晓军,张谢东,朱海清.基于球铰应力差法的T构转体桥不平衡力矩预估J.桥梁建设,2 0 1 4,4 4(4):5 7-9 1.6 黄建生,廖德文.平地坝大桥主拱转体施工J.桥梁建设,2 0 0 5(4):4 8-5 0.7 白金超.反对称钢筋混凝土拱肋异型系杆拱桥施工控制技术J.桥梁建设,2 0 1 8,4 8(3):1 1 6-1 2 0.8 刘 涛.大跨径桥梁转体施工混凝土球铰关键问题研究D.武汉:武汉理工大学,2 0 1 8.9 张聪聪.转体桥球铰稳定与施工模拟分析D.武汉:武汉理工大学,2 0 1 6.(上接第6 4页)参考文献1 周云华.基于胶浆组分调整的沥青混凝土抗水损害研究J.建材世界,2 0 2 2,4 3(3):1 7-1 9.2 陈 飞,张林艳,封基良,等.沥青混合料低温抗裂性能试验方法研究进展J.材料导报,2 0 2 1,3 5(z 2):1 2 7-1 3 7.3 刘 刚,陈磊磊,钱振东,等.车辙深度对沥青路面结构性能影响性分析J.振动与冲击,2 0 2 1,4 0(2 4):3 6-4 0.4 雷小磊,崔玉龙.不同掺量下水泥与矿粉对沥青胶浆性能影响试验研究J.佳木斯大学学报(自然科学版),2 0 2 0,3 8(4):1-4.5 刘敬东.水泥对片麻岩沥青混凝土水稳定性能的影响J.交通科技,2 0 1 6(2):1 7 3-1 7 5,1 7 6.6 李少丽.水泥改进沥青混合料抗水损害性能试验研究J.四川建材,2 0 1 1,3 7(3):2 0-2 1.7 张忠明.水泥橡胶综合改性沥青混合料水稳定性研究D.成都:重庆交通大学,2 0 1 5.58建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期