哈大铁路专线大跨度连续梁施工仿真分析方法与实例

2012-01-22郭景琢

铁道标准设计 2012年5期

关键词：钢束梁体预应力

郭景琢

(中建哈大铁路客运专线指挥部,辽宁铁岭 112000)

1 概述

桥梁施工仿真分析是在全桥范围内每个施工阶段采用大规模的组合有限单元计算分析,建立桥梁完整、统一的分析体系,采用实体、板壳、梁体、杆及索的多种单元组成的组合单元,利用单元的加载和拆除模拟各个施工阶段,在此基础上进行结构计算。

对桥梁的施工仿真分析主要完成的工作有以下3个部分。

(1)建立全桥范围内各个承载构件的详细模型,该模型由实体、板壳、梁体、杆及索的多种单元组成,能够准确地模拟出扣件的空间位置、几何尺寸、荷载作用、初始内力和初始变形等,同时利用单元的加载和拆除模拟出施工过程中的各个施工阶段。

(2)运用可靠的数值分析方法,如有限元法,对上述模型进行分析计算,由此得到相对详尽、可靠的分析结果。

(3)借助丰富有效的图形显示软件,对计算出的大量数字进行可视化处理,直接看到全桥各部位、各阶段的位移、应力、应变等计算结果的分布图像,从图像上直接进行分析、判断,来获得有用的结论,及时指导施工。

桥梁结构仿真是伴随着有限元技术及计算机软硬件发展而组建兴起,并逐步完善的。早期的仿真软件只是利用计算机进行模拟计算,而没有前后模型处理功能,近年来,由于桥梁事业的发展,图形化操作系统的出现,强大的硬件平台的支持,桥梁仿真计算向可视化、综合化方向发展。同时计算内容也进入了三维空间应力计算、非线性计算、计算—制图一体化阶段。目前国内桥梁施工仿真所使用的软件主要有ANSYS、MIDAS/Civil、桥梁博士(Dr.Brige)和GQJS等。

2 文官屯特大桥(60+100+60)m双线无砟轨道连续箱梁的施工仿真分析

哈大铁路客运专线文官屯特大桥(60+100+60)m预应力混凝土连续梁桥,采用挂篮悬臂施工方式,梁体上部结构如图1所示。

图1 文官屯特大桥(60+100+60)m连续梁桥上部结构(单位：m)

该桥主跨计算跨度为(60+100+60) m,边支座中心线至梁端0.75 m,梁全长221.5 m。中支点梁高7.85 m,跨中10 m直线段及边跨15.75 m直线段梁高为4.85 m,梁底下缘按二次抛物线变化。

梁体为单箱单室、变高度、直腹板、变截面结构。箱梁顶宽12 m,底宽6.7 m,顶板厚度除梁端附近及支点外均为40 cm,腹板厚度60～80、80～100 cm,按折线变化,底板厚度40～120 cm,按直线线性变化。在端支点、中支点、中跨共设5个横隔板,隔板设有孔洞,供检查人员通过。

梁体采用C50混凝土,防护墙、遮板及电缆槽竖墙采用C40混凝土。防撞墙内侧净宽8.8 m,桥上人行道钢栏杆内侧净宽11.9 m,桥面板宽12.0 m,桥梁建筑总宽12.28 m。

主梁设纵向、横向、竖向三向预应力,纵向预应力钢筋采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线,公称直径15.2 mm,其技术条件应符合GB/T5224—2003标准。

以文官屯特大桥(60+100+60) m双线无砟轨道连续箱梁为例,采用MIDAS/Civil对桥梁施工全过程进行仿真分析,在仿真分析中考虑混凝土的收缩徐变,预应力钢筋的应力损失,体系转换过程中边界条件变化等因素,计算出各个施工阶段应力和挠度变化值。

2.1 结构分析依据

(1)《文官屯特大桥(60+100+60) m连续梁桥施工图》。

(2)《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)。

(3)《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)。

(4)《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)。

(5)《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号文)。

(6)《新建客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设[2003]76号文)。

(7)《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》(2003年6月颁布)。

(8)其他相关规范、规程。

2.2 结构分析参数

2.2.1 荷载

(1)恒载：按设计图提供的尺寸,并根据施工现场采集的参数进行必要的修正,考虑结构自重和临时荷载,并考虑了桥面排水横坡对结构刚度、变形等的影响。

(2)温度及混凝土收缩、徐变影响：计算中按规范考虑了结构局部温差效应及考虑混凝土实际加载龄期的收缩、徐变的影响。

(3)预应力：初期计算按设计图分阶段张拉并按规范计入预应力损失。

2.2.2 材料特性

计算中所用的主要材料特性见表1。

表1 计算所用材料特性

其中,混凝土的弹性模量取自《铁路桥涵设计规范》,钢绞线的弹性模量取自现场材料的取样试验。

2.2.3 混凝土收缩、徐变参数

混凝土收缩、徐变参数按照规范取值。

2.2.4 预应力钢束

纵向预应力钢束弹性模量取自试验结果,摩阻损失参数取自现场摩阻试验,其余参考规范及设计图取值。

2.2.5 混凝土加载龄期及外部环境

计算考虑外界环境为野外一般条件,每个悬臂现浇梁段的加载龄期为3 d。在施工过程中,混凝土加载龄期等参数可能与实际情况不符,将根据实际情况对计算参数进行调整。

2.2.6 挂篮重

挂篮重前期计算与设计相同,施工监控过程中按照挂篮图统计其重。

2.3 施工仿真分析步骤

(1)定义材料和截面。

(2)建立结构模型。

(3)建立和构件结构组、边界组和荷载组。

(4)定义施工荷载。

(5)定义预应力钢束特性。

(6)布置预应力钢束。

(7)张拉预应力钢束。

(8)定义时间依存性材料特性值并连接

(9)定义以施工阶段分类的单元、边界条件、荷载的变化等,最后形成施工阶段。

(10)进行分析

2.4 材料和截面

根据结构参数定义材料和截面。

2.4.1 箱梁C50混凝土及钢绞线材料特性(图2)

图2 材料特性界面

2.4.2 截面特性(图3)

图3 截面特性界面

2.5 计算模型

根据设计图反映的内容,对连续梁总体结构建立能反映施工荷载的有限元模型。计算模型中根据悬臂施工梁段的划分、支点、跨中、截面变化点等控制截面将梁体划分为全桥共77个节点,76个单元。

连续梁总体计算模型如图4所示。

图4 文官屯特大桥(60+100+60)m连续梁计算模型

2.6 建立结构组、边界组、荷载组

(1)建立结构组并分配单元。根据实际施工的步骤,将同时施工的单元分别定义为结构组。通过拖放功能将生成的结构组分给梁单元。

(2)定义边界组并添加边界条件。根据施工实际步骤及体系转换的过程,建立0号块临时支座、0号块永久支座、边跨现浇支座,边跨永久支座。由于节点位置位于截面的中上部,为更好的模拟实际施工状况,在梁底建立节点,通过弹性连接(刚性)在梁底添加边界条件。同时通过施工阶段中激活和钝化功能,实现体系转化中支座的变化。

(3)建立荷载组。施工阶段荷载有结构自重、钢束的预应力荷载、挂蓝的自重3种。当激活结构自重时,程序将自动考虑已激活的结构组的自重。将以上3种荷载工况定义为施工阶段荷载类型,然后定义各荷载工况所属的荷载组。