高寒地区大跨连续刚构桥合龙施工应力变化仿真模拟分析.pdf

总653期2023年第23期（8月 中）收稿日期：2023-02-07作者简介：宋萍（1973），女，山西长治人，高级工程师，研究方向为道路、桥梁、隧道工程。高寒地区大跨连续刚构桥合龙施工应力变化仿真模拟分析宋萍（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）摘要：针对高寒地区大跨连续刚构桥施工困难等问题，以某大跨连续刚构桥为例，通过建立Midas Civil有限元分析模型，对桥梁合龙施工过程中的应力变化进行了仿真模拟分析。结果表明：温度对主梁应力和应变影响较大，合龙温度越高，桥梁桩底截面的内力越大，结构应力状态越不利，需在低温环境下进行合龙。关键词：高寒地区；大跨连续刚构桥；施工控制技术中图分类号：U445.4文献标识码：B0 引言由于高寒地区环境恶劣，施工难度较大，桥梁施工要求较高，需要对大跨径连续刚构桥梁施工进行有效控制，以保证桥梁施工质量。常用的施工控制技术有：固定时间观测法、温度效应拟合法、相对坐标法和相对立模标高法等1-2，上述施工控制技术具有不同的技术特点及应用范围，需结合项目实际情况选择。固定时间观测法在实际工程中具有较好的适应性，但其在测试时间上要求较严苛；温度效应拟合法的应用成本较高且施工难度较大，目前应用范围较局限；相对坐标法与相对立模标高法易于操作，在线形监控方面能够发挥较好作用。为了保证桥梁工程施工质量，需对桥梁合龙施工过程的应力变化情况进行重点监控。因此，本文采用Midas Civil对桥梁合龙施工过程中温度引起的应力进行仿真模拟，通过分析合龙温度与应力应变之间的关系，从而确定最佳的合龙温度。1 工程概况某连续刚构桥梁上部结构采用分幅式，主桥结构采用对称分布“三跨一联式”设计（57.5 m+95 m+57.5m），主桥结构为变截面单箱单室，桥面系宽度为12 m，横坡为4%，主桥平面线形由圆曲线与缓和曲线组成，圆曲线半径R为 717.01 m，缓和曲线长度Ls为 150 m。该桥施工方式采用悬臂浇筑。该桥所处区域地势整体为北高南低，其中北部地质剥蚀程度较大，海拔30003500 m，南部地形主要为河流冲积而成，地势较为平缓，且村落分布密集。根据当地气候数据，项目所在地高原性气候特征较显著，寒冷时间长、温差大且多风，日照时间长。2 桥梁施工控制有限元分析2.1 建立有限元模型借助Midas Civil，按照桥梁工程实际几何、材料参数建立有限元模型。Midas Civil能够考虑预应力所产生的效应，模拟预应力损失，结合材料时间特性分析结构的收缩、徐变，从而判定桥梁构件的弹性模量随龄期的变化情况。将该桥全桥定义为梁单元，划分得到共计87个单元和100个节点。其中，主梁单元67个、桥墩单元20个。各零号块均划分 6 个单元，各悬臂段划分 1 个单元，各合龙段划分1个单元。施工时各T形梁构件上部同时开展施工，合龙工序秉承“先边跨、后中跨”原则。建立Midas Civil有限元模型如图1所示。2.2 仿真模拟通过桥梁结构应力分析、施工中变形计算及施工预拱设置等，得到有限元分析结果，即桥梁在最大悬臂状态下主梁上缘应力分布如图2所示，最大悬臂状态下主梁竖向变形如图3所示。3 桥梁施工合龙温度控制连续刚构桥在悬臂阶段下处于静定状态，当主梁合龙完成后，结构即转变为超静定状态，此时，温度图1 桥梁有限元模型122交通世界TRANSPOWORLD变化、材料徐变、桩基沉降等都将导致结构内力变化，并产生次内力。研究成果表明3,4，当桥梁跨度增大时，温度变化、材料徐变及桩基沉降产生的结构内力变化更加显著，甚至次内力都可能超过活载设计值。混凝土的次内力过大，从而产生受拉破坏，并引发开裂等问题，导致桥梁结构的安全性和耐久性劣化。针对上述问题，当桥梁结构由静定状态转变为超静定状态时，需要严格控制合龙温度，降低温度变化带来的次内力影响，并控制在可接受范围内。连续刚构桥合龙施工主要包括边跨合龙及中跨合龙。其中，中跨合龙为桥梁施工中最为关键的合龙工序。但在实际施工中，不同工序进度并非完全一致，且各段合龙时间难以确定。1）若合龙时间处于高温环境，当合龙段混凝土浇筑完成后，受白昼温差影响，上层新浇混凝土会产生收缩，且合龙段周围的混凝土由于受到温度降低的影响，随之出现收缩，引起箱梁合龙段与已浇梁段之间连接不牢靠，甚至发生混凝土开裂，损害结构耐久性。2）若合龙时间处于低温环境，温度上升会导致合龙段周围的混凝土发生伸长，压缩上层新浇混凝土，新浇混凝土强度由于养护时间较短未能达到设计强度，因此在挤压作用下内部构造发生破坏，严重时还会引起结构变形，损害结构后期强度。因此，为了确保桥梁施工质量满足预期要求，需要控制施工合龙前后桥梁结构次内力，使其满足技术要求，在桥梁合龙过程中，也应对桥梁结构进行全面验算，并选定合适的合龙温度及施工控制措施。该桥梁所在区域为高原，高寒地区的桥梁结构温度不仅受外部气温的影响，同时还与结构的材料特性、截面型式与日照强度等密切相关。在炎热的夏季，由于环境温度显著提升，应对桥梁结构的整体升温情况进行分析；在寒冷的冬季，则应对桥梁结构的整体降温情况进行分析。在有限元分析过程中，取桥梁设计温度值作为温度变化初始值，并根据不同条件下桥梁结构整体升、降温情况分别展开计算。当合龙温度处于较高水平时，环境温度下降将导致结构内产生相应的次内力，因此应避免在高温环境下进行合龙作业。但在较低温度下，混凝土凝结过程受到不利影响，按照我国现行公路桥梁施工监控技术规程（JTG/T 3650-012022）要求，选取最低合龙温度为5。分别选取5、10、15 及20 4个合龙温度展开有限元分析。由于桥梁所在地区昼夜温差较大，因此设定温差为40，其温度变化如表1所示。表1 有限元分析的合龙温度合龙时的温度/5101520升温/35302520降温/-5-10-15-204 合龙温度对桥梁结构内力的影响为了确保该桥能够顺利合龙，采用Midas Civil对合龙施工方案进行温度-应力影响分析。以桥梁应力、应变作为控制指标，仅调整升温、降温工况，分析结构的位移、应力及弯矩等参数变化情况。按照表1确定的合龙温度，设定4个工况条件。对各工况条件下桥梁结构内力水平进行分析，选择3个主梁控制截面：中跨跨中根部、边跨部及中跨根部；选择4个桥墩控制截面：中跨墩顶、中跨墩底、边跨墩底及边跨墩顶。得到不同工况条件下各控制截面对应的位移变化如表2、表3所示。工况一条件下的结构变形如图4所示。正常使用极限状态下主梁升温、降温对应的最不利弯矩组合如表4、表5所示。表2 升温过程中主梁各控制截面的位移温度/边跨根部/mm中跨根部/mm中跨中段/mm510.33410.64913.6821010.33410.64913.682158.6118.87511.402206.8897.1009.121表3 降温过程中主梁各控制截面的位移温度/边跨根部/mm中跨根部/mm中跨中段/mm5-1.722-1.775-2.28010-3.445-3.550-4.56115-5.167-5.325-6.84120-6.889-7.100-9.121图2 最大悬臂状态下主梁上缘应力分布图3 最大悬臂状态下主梁竖向变形（a）桥梁结构整体升温（b）桥梁结构整体降温图4 工况一条件下结构的变形123总653期2023年第23期（8月 中）通过上述位移、应力及弯矩仿真分析结果可知，整体升温、降温将导致桥梁结构内部出现较大变形。选用不同合龙温度分别模拟计算连续刚构桥的合龙施工过程，温度荷载在主梁内产生的应力也存在一定差异，且整体升温、降温值越大，主梁结构内力越大，该连续刚构桥结构最不利受力截面为桩底。根据表4、表5可知，随着合龙温度升高，除中跨根部及中跨跨中的弯矩变化幅度较小外，其他各控制截面在正常使用极限状态下对应的弯矩均有所提升，其中桩底截面变化幅度最大；不同合龙温度对于结构桩底控制截面内力水平的影响程度存在差异，且随着合龙温度升高，桩底控制截面内力越大，截面所对应的拉、压应力也得到提升，致使结构应力状态更为不利；应选择在环境温度较低时进行连续刚构桥合龙作业；桥梁结构各控制截面对应的最不利应力组合主要受温降荷载的影响，且温度升高产生的荷载对墩桩控制截面最不利应力组合的影响有限，当温度降低产生的荷载较大时，会导致桥梁墩桩控制截面内力产生突变。5 结论综上所述，本文以某桥梁工程为例展开分析，借助Midas Civil有限元分析软件，对高寒地区桥梁合龙施工控制过程中合龙温度与结构应力变化情况进行了分析，得出以下结论。1）整体升温、降温将导致桥梁主梁内产生较大变形，且升温、降温幅度越大，主梁内温度荷载引起的内力越大，对应变形、弯矩越大。2）桥跨结构各控制截面最不利应力组合主要受温降荷载的控制。3）不同的合龙温度，桥梁桩底截面对应内力有所不同；当合龙温度降低时，桥梁桩底截面的内力越大，截面拉、压应力也越大，桥梁结构应力状态越不利。4）受高原寒冷气候影响，该桥梁合龙工序应安排在低温环境下进行。参考文献：1 吕金焕.高墩大跨连续刚构桥悬臂挂篮施工技术J.工程机械与维修，2022（5）：105-107.2 杨振延.大跨高低墩连续刚构桥边跨现浇段施工技术的优化J.四川水泥，2022（9）：195-197.3 刘超，彭立强，王冲.高寒地区大跨连续刚构桥温度效应研究J.现代交通技术，2015，12（4）：35-37.位置工况一工况二工况三工况四边跨根部1 290.7671 290.7672 620.3883 950.010中跨根部8 169.5428 169.5429 221.11010 272.678中跨跨中10 202.23510 202.23510 255.93710 309.640边墩上端30.02630.02620.43310.839中墩上端-288.885-288.885-251.233-213.581边墩下端-310.131-310.131-261.403-212.676中墩下端51.27251.27230.6039.935表4 正常使用极限状态下主梁升温对应的最不利弯矩组合单位：kNm位置工况一工况二工况三工况四边跨根部10 598.12011 927.74213 257.36414 586.985中跨根部15 530.52016 582.08817 633.65618 685.225中跨跨中10 578.15210 631.85510 685.55710 739.260边墩上端-37.126-46.719-56.312-65.905中墩上端-25.31912.33349.98587.637边墩下端30.96279.690128.418177.145中墩下端-93.408-114.076-134.745-155.413表5 正常使用极限状态下主梁降温对应的最不利弯矩组合单位：kNm（上接第121页）2 李冕，廖林冲.伶仃洋大桥东泄洪区非通航孔桥盖梁支架方案优化J.公路，2021，66（11）：138-143.3 黎洪安，谢涛，鞠晓鹏，等.矩形高墩大悬挑现浇盖梁支架的设计与施工J.建设科技，2021（12）：70-73.4 房毅，廖浪.大跨度预应力现浇盖梁支架设计及应用J.广东土木与建筑，2020，27（4）：21-24.5 付小林，吴良明.利用桥墩自身墩柱结构受力的一种盖梁支架施工方法J.中外建筑，2019（6）：264-266.6 朱忠民，卢治国，姚吉友，等.高墩刚构桥边跨挂篮配合盖梁支架施工法及施工阶段受力分析J.公路工程，2017，42（4）：191-193，203.7 肖雁征，吴琦.圆形独柱高墩盖梁双抱箍三角托架设计与施工J.交通世界，2022（35）：127-131.8 王宁，赵建康，杨俊涛，等.交叉施工条件下的大跨悬臂盖梁模架结构形式研究J.内蒙古科技与经济，2022（12）：111-113，116.9 陈鳌，李海辉，吴建伟，等.不落地盖梁模板支架的后插钢梢棒受力分析J.公路交通技术，2022，38（5）：70-77.124