连续梁0号块缺陷处理精细有限元分析

何志超（上海铁路局 建设管理处，上海　200071）

连续梁0号块缺陷处理精细有限元分析

何志超
（上海铁路局 建设管理处，上海200071）

一客运专线有砟轨道挂篮悬浇连续梁，主墩0号块混凝土浇筑完成后出现多处浮浆缺陷。本文研究对0号块混凝土缺陷加以修复的可行性，采用Midas软件建立包含0号块、1号块的局部空间实体有限元模型和全桥梁单元模型，模拟缺陷及修补过程、缺陷凿除及重新施工对0号块及全桥应力和变形的影响。计算结果表明：2个主墩0号块龄期差对全桥的应力和变形均影响较小；修补过程中及修补后0号块应力和变形均满足相关规范要求；选用不同等级补浇筑混凝土对0号块的应力和变形影响不大，但选用C55混凝土箱梁应力相对较小。0号块缺陷修复处理方案可行。

连续梁；0号块；缺陷；精细有限元；施工处理

1　工程概况

主桥为客运专线单箱单室变高度变截面连续箱梁，桥跨布置为（48+80+48）m。中跨中部2.0 m梁段和边跨端部 9.65 m梁段为等高度梁段，梁高3.6 m；中墩处宽度4.0 m范围内梁高为6.0 m，其余梁段梁底按圆曲线变化，圆曲线半径为286.408 m。箱梁顶板宽12.2 m，底板宽6.4 m，在主墩支座处4 m范围内加宽至7.4 m。连续梁采用挂篮悬臂浇筑施工，划分施工节段见图1，其中 A11为边跨支架现浇段；A10为边跨合龙段；B10为中跨合龙段；A1～A9，B1～B9为悬臂浇筑段；0号块长10 m，采用支架施工。

图1　施工节段（单位：cm）

54#主墩0号块混凝土浇筑完成后，在质量检查中发现4处浮浆缺陷，此时预应力尚未张拉，浮浆位置见图2。图2中小里程为中跨方向，大里程为边跨方向。其中第1处浮浆层沿桥梁纵向深度为2.5 m，第2处纵向深度为1.2 m，第3处纵向深度为0.6 m，第4处纵向深度为0.7 m。

0号块构造及受力复杂，为确保结构安全，需对缺陷进行处理。处理方案为凿除54#主墩0号块浮浆层，重新浇筑C50混凝土。由于处理该主墩0号块导致相邻2个主墩0号块存在大约3个月的龄期差，需考虑龄期差对连续梁整体结构应力和变形的影响。此外，还需考虑缺陷修补引起0号块应力重分布。

图2　54#主墩0号块浮浆位置（单位：cm）

本文建立实体有限元模型并模拟修补过程，研究54#主墩0号块空间受力状态，确保施工阶段和成桥后整个结构的安全可靠。

2　2个主墩0号块龄期差影响

2.1杆系模型

采用Midas/Civil建立全桥杆系有限元模型，主梁为全预应力构件，不考虑普通钢筋参与结构受力。全桥离散为48个单元，边界条件为中墩固定支座，其余墩为纵向活动支座。分别计算2种工况：①2个T构各节段同步施工；②2个0号块龄期相差90 d，其余悬臂节段同步施工。

2.2应力与变形

计算结果表明2种工况的成桥模型在运营阶段活载作用下，应力一致，变形接近。在施工过程中，2模型的应力差值仅有0.01～0.02 MPa，竖向变形差值约0.1～0.2 mm，满足规范要求，所以2个主墩0号块龄期差对结构应力和变形的影响可以忽略。

3　缺陷修补过程中0号块局部应力变形分析

为分析缺陷修补过程对0号块的局部影响，对实际施工与原设计工况中的应力和变形进行对比分析。

3.1实体模型

采用Midas/FEA建立54#主墩0号块实体模型，混凝土采用实体单元模拟；钢绞线和精轧螺纹钢采用线单元模拟，程序自动耦合钢筋单元与混凝土单元。建模时假定：①忽略普通钢筋和锚垫板，故在计算结果中，钢束端部将产生较大的应力，分析时应避免采用此区域数据；②底板和翼缘板满堂支架用“只受压弹簧”模拟，主墩处支座临时固结；③混凝土强度发展和收缩徐变系数参照规范由程序自动计算。

3.3 坚持颈部按摩锻炼有助于提高疗效 对优化各种疗效有一定的帮助。通过每天的颈部穴位及肌肉按摩以舒筋通络，活血化瘀，调和气血，增强肌肉力量，保持颈椎的稳定性。患者出院后，利用工作之余或晚上空闲时间练习，坚持每天练习几遍对促进患者康复有着积极作用。由表1显示，实验组疼痛程度明显低于对照组。表2显示，实验组椎动脉供血情况优于对照组，颈部按摩康复操锻炼的患者疗效更为明显。患者在进行功能锻炼时要心平气和，动作慢柔，循序渐进，避免颈部过度活动。

考虑实际施工模型和设计施工模型的2种施工过程：实际施工模型考虑浇筑30 d后凿除浮浆层，重新补浇筑，再养护7 d后张拉预应力，而设计施工模型浇筑30 d后直接张拉预应力。

3.2实际施工模型凿除浮浆后主拉应力

实际施工模型凿除浮浆层后，0号块主拉应力如图3所示，最大主拉应力在翼缘板根部，约0.45 MPa，满足规范要求，凿除后结构安全。

3.3实际施工模型张拉预应力后主拉应力

0号块主拉应力＞1.2 MPa的区域集中在纵向预应力和竖向预应力钢束端部，在内部沿着纵向预应力钢束也有少量分布。这是因为软件中钢束单元自动和最近的混凝土单元节点耦合，在局部区域有应力集中现象，导致应力失真。排除应力失真的因素后，张拉预应力后0号块主拉应力＜1.2 MPa，满足规范要求。

图3　凿除浮浆层后主拉应力云图（单位：MPa）

3.42种模型计算结果对比

1）端部挠度

表1　0号块端部累计竖向挠度

2）预应力张拉后混凝土正应力

实际施工模型与设计施工模型张拉预应力后，0号块混凝土纵向正应力见表2，实际施工模型距支点2.3 m截面底缘最大拉应力为0.953 MPa，顶缘最大压应力为-0.670 MPa；设计施工模型截面底缘最大拉应力为0.625 MPa，顶缘最大压应力为 -0.691 MPa，均满足规范要求。

表2　0号块混凝土累计纵向正应力

3）补浇混凝土应力

缺陷处凿除后新浇筑的混凝土强度和龄期与原混凝土不同，导致混凝土产生收缩徐变应力，第1处缺陷在预应力张拉完成后出现。实际施工模型和设计施工模型主拉应力云图分布一致，前者最大值为0.810 MPa，后者最大值为0.788 MPa，均满足规范要求。

4）钢束有效预应力

研究缺陷处理后对0号块纵向预应力及竖向预应力的影响。扣除摩擦损失、锚具变形损失及混凝土压缩损失的有效预应力，实际施工模型纵向钢束最大应力为1 140.3 MPa，最小应力为994.8 MPa；设计施工模型纵向钢束最大应力为1 140.5 MPa，最小应力为993.7 MPa。实际施工模型竖向钢筋最大应力为476.0 MPa，最小应力为410.0 MPa；设计施工模型竖向钢筋最大应力为476.0 MPa，最小应力为409.3 MPa。两模型应力值基本一致，且满足规范要求。

4　不同等级混凝土修补缺陷效果

当补浇筑混凝土等级为C55，C50，C40时，纵向预应力钢束张拉后0号块纵向正应力和端部挠度分别见表3、表4。由表可知，选用不同等级补浇筑混凝土对0号块的应力和变形影响不大，3个模型的计算结果基本一致，但选用C55混凝土箱梁应力相对较小。

表3　不同强度补浇筑混凝土0号块纵向正应力MPa

表4　不同强度补浇筑混凝土0号块端部挠度　mm

5　运营阶段0号块应力验算

采用有限元法对桥梁进行局部受力分析时，得到桥梁局部切开节点处的内力和位移，将此作为该处的外荷载和位移边界条件，再进行桥梁局部变形和应力计算。采用圣维南原理进行局部分析，精度仍能满足工程要求。故本文根据上述思想，将54#主墩的箱梁0号块和1号块梁段从桥梁整体结构中取出，用较为精确的空间实体单元模拟，再将计算得到的整体结构位移作为强制边界条件施加在箱梁1号块梁段的端部，对箱梁0号块梁段进行局部应力分析，从而了解箱梁0号块梁段局部受力特征。为验算在运营阶段0号块缺陷处的应力，将运营工况全桥平面模型中的力作用到实体精细模型上，计算0号块缺陷处修补后是否满足规范要求。

5.1模型与工况

考虑工况：自重+预应力+二期恒载+收缩徐变力+54#主墩沉降1 cm+移动荷载+整体升温20℃ +日照温差，其中移动荷载满布左边跨和中跨。

在上述工况作用下，提取杆系模型1号块端部的内力，见表5。将杆系模型1号块端部的内力作为外荷载作用在精细化模型端部质心处，而直接作用在0号块和1号上的二期恒载和活载则转化为均布面荷载q=19.4 kN/m2。

表5　作用在1号块端部的内力

5.20号块应力

根据圣维南原理，距集中荷载（1号块端部截面）大于6 m（1倍梁高）处的应力计算结果是可靠的，分析距离1号块端部6.2 m处（距支点2.3 m）截面纵向正应力和主拉应力。

1）纵向正应力

运营荷载下54#主墩0号块纵向正应力见图4，在运营荷载下横隔板出现了拉应力，最大拉应力为0.85 MPa。最大压应力为 -11.88 MPa，此处截面虽有突变的应力集中现象，但满足规范要求。

图4　运营荷载下54#主墩0号块纵向正应力（单位：MPa）

2）主拉应力

运营荷载下54#主墩0号块主拉应力见图5，主拉应力超限区域有2处：①横隔板折角处；②竖向预应力端部，最大主拉应力为3.54 MPa，原因是应力集中导致计算结果失真。中跨端腹板距支点2.3 m截面最大主拉应力为2.1 MPa，其他区域主拉应力 ＜3 MPa，满足规范要求。

图5　运营荷载下54#主墩0号块主拉应力（单位：MPa）

6　结论

缺陷处理方案研究结果表明，两主墩0号块龄期差对全桥的应力和变形均影响较小；修补过程中及修补后0号块应力和变形均满足相关规范要求；成桥后结构安全可靠，缺陷处理方案可行。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］王艳，陈淮.大跨度悬臂拼装施工连续梁桥0号梁段局部应力分析［J］.铁道科学与工程学报，2008，5（3）：23-27.

［4］李仲阳.大跨度连续梁桥应力监控和零号块空间应力分析［D］.沈阳建筑大学，2003.

［5］葛素娟，李静斌.预应力混凝土连续刚构桥0号块空间分析［J］.郑州大学学报（工学版），2006，27（3）：1-5.

［6］戴维.悬灌箱梁0号块及1号段裂缝整治［J］.世界桥梁，2003（2）：70-72.

［7］杨进，罗永，罗学成.连续刚构0号块的空间应力分析［J］.公路，2011（6）：90-94.

［8］张戎令，王起才，马丽娜，等.桥梁悬臂施工0号块高程控制［J］.铁道建筑，2011（4）：16-17.

（责任审编郑冰）

Precise Finite Element Analysis on Defect Treatment for Hammer Head Block of Continuous Girder

HE Zhichao
（Construction Department of Shanghai Railway Bureau，Shanghai 200071，China）

A ballasted track continuous girder bridge was constructed with cantilever erection method in a passenger dedicated railway.Concrete laitance was found on several places after concrete casting of the hammer head block （No.0 block）.T he practicability of defect fixing was studied in this paper.T he whole bridge model and local No.0 and No.1 block models were created by finite element analysis software to simulate the defect treatment and construction process.T he effects of treatment construction including stress and deflection of the bridge were analyzed.T he calculation results show that the stress and deformation of the bridge almost keep unchanged with different concrete age of two No.0 blocks.T he stress and deformation of the No.0 block satisfy requirements of the design code during and after repairing process，being insensitive to the repairing concrete grade.Relatively smaller stress follows with C55 repairing concrete.T he defect fixing plan is feasible.

Continuous girder bridge；No.0 block；Defect；Precise finite element；T reatment construction

U441+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.05

1003-1995（2016）08-0022-04

2016-03-30；

2016-05-17

何志超（1973— ），男，高级工程师，硕士。