有限元法在连续梁落架方案可行性模拟中的应用

尹忠文，杨 军

(1.云南云岭高速公路工程咨询有限公司，云南昆明 650000;2.江苏东交工程检测股份有限公司，江苏南京 210000)

有限元法在连续梁落架方案可行性模拟中的应用

尹忠文1，杨 军2

(1.云南云岭高速公路工程咨询有限公司，云南昆明 650000;2.江苏东交工程检测股份有限公司，江苏南京 210000)

以某铁路客运专线上的一联预应力混凝土连续梁桥为对象，采用有限元分析软件MIDAS/Civil建立连续梁桥模型，通过改变边界条件的方法来模拟各种工况，得出不同工况下梁体的应力、变形和支座处支座反力。结果表明:土模边跨横向的不均匀落架会造成跨中区出现较大拉应力，应横向对称拆除;不移除土模时，拆除右边跨和中跨比仅拆除中跨产生的压应力要小;在拆架前对梁体进行临时堆载，降低未落架梁跨的上挠。

桥梁工程;有限元法;满堂支架法;落架方案

1 工程概况

某铁路客运专线上的一联3 m×32 m预应力混凝土连续梁桥位于某县火车站附近，为跨越道路、农田、水渠而设。在进行满堂支架施工之前，通过实地考察发现，沿桥方向的地势一边高、一边低，地势高的那一段在其中的一个边跨里程上，主桥纵断面见图1，1/2主梁纵断面见图2，主梁1-1横断面见图3。为方便描述，将图1中地势较高的边跨称为左边跨，右边两跨分别称为中跨和右边跨。

2 连续梁桥的落架方案

2．1 落架方案

图1 主桥纵断面

图2 1/2主梁纵断面

图3 主梁1-1横断面

施工方案中左边跨是土模，中跨和右边跨是满堂支架，土模采用挖掘机挖除，支架拆除则选用专业拆除队伍。整个施工过程中，连续梁下方都有模板、土模或支架支撑，梁体自重通过下部的支撑体系传到了地面，梁体中不会出现过大的拉应力，结构不会出现裂缝或破坏。但是，在拆除梁体下部的支撑体系时，由于土模的拆除速度和支架的拆除速度相差很大，拆架过程中连续梁结构会发生体系转换［6-9］。施工单位并没有对此给出具体的检算资料，为保证该方案的安全性和可行性，有必要进行模型模拟，对可能出现的几种极端情况的应力和变形进行分析。

2．2 落架方案的几种极端工况

本文拟分4种工况来检验拆架方案的安全性，分别如下。

(1)工况1:左边跨土模不拆除，中跨支架全部拆除，右边跨支架不拆除。

(2)工况2:左边跨土模不拆除，另外两跨将支架全部拆除。

(3)工况3:中跨和右边跨支架已全部拆除;左边跨用挖掘机沿桥横向从一边往另一边挖，一边的翼缘板和边腹板下的土模已全部挖除。

(4)工况4:中跨和右边跨支架已全部拆除;左边跨使用2组挖掘机从桥横向两边同时向中间挖，两边的翼缘板和边腹板下的土模已全部挖除。

3 建立连续梁模型

3．1 建模过程

切换到截面选项，基于腹板将箱梁截面分为3个截面(2个边腹板截面，1个工字形截面)，以Z轴为参考，2条分割线分别在－1．15 m 和1．15 m 处，这样截面横向就分割完毕，分割后的截面如图4所示。输入完布置、跨度、截面选项后，就生成了梁格法建立的主梁模型，模型共计280个节点，463个梁单元［10-11］，如图 5 所示。

图4 分割后的截面

图5 梁格法建立的全桥模型

本连续梁桥落架之前因受到支座的约束和土模、支架的支承作用(对应于MIDAS/Civil中的9个边界组均激活的情况)，对于不同的工况，相应的边界条件是变化的［12-14］。工况1的边界条件为:左边跨土模不拆除，中跨支架全部拆除，右边跨支架不拆除(图6)。工况2的边界条件为:左边跨土模不拆除，另外两跨将支架全部拆除(图7)。工况3的边界条件为:中跨和右边跨支架已全部拆除，左边跨用挖掘机沿桥横向从一边往另一边挖(Y轴正向)，一边的翼缘板和边腹板下的土模已全部挖除(图8)。工况4的边界条件为:中跨和右边跨支架已全部拆除，左边跨使用两组挖掘机从桥横向两边同时向中间挖，两边的翼缘板和边腹板下的土模已全部挖除(图9)。

图6 工况1受力

图7 工况2受力

3．2 运用有限元模型来模拟落架过程的方法

模拟连续梁桥的落架过程是关键所在，MIDAS/Civil特有的施工阶段分析功能十分方便，它能将各施工阶段需要的结构组、边界组和荷载组激活或者钝化，从而实现对各个施工阶段的分析［15-16］。

定义工况1对应的施工阶段，依次选择主菜单、荷载、荷载类型、施工阶段分析数据、定义施工阶段、添加，施工阶段名称命名为“成桥”，持续时间为50 d，激活全桥结构组;激活桥台1支座、桥墩1支座、桥墩2支座、桥台2支座、临时支承1左、临时支承1中、临时支承1右、临时支承2和临时支承3等9个边界组;激活自重和预应力2个荷载组，确定完成第1个施工阶段的定义。定义第2个施工阶段，持续时间为5 d，钝化临时支承3边界组，此时等同于工况1的边界条件。确定完成第2个施工阶段的定义，运行MIDAS/Civil分析程序即可生成结果文件，在结果文件中可查看工况1全桥各处的应力和位移情况。

4 落架方案有限元分析结果

本文采用梁格法建立连续梁桥的有限元模型，在支架和模板的卸落过程中，主要荷载为梁体自重和预应力荷载。对结构进行静力分析，根据本连续梁桥原施工方案，左边跨采用土模，中跨和右边跨采用满堂支架，施工完毕后，土模挖除速度慢，支架拆除速度快，会造成全桥三跨支承卸落不同步，使全桥的受力不均匀。

4．1 工况1有限元分析

拆除中跨支架(工况1)以后，由剩下的土模和右边跨支架来承受全桥荷载。定义结果文件的荷载组合，自重(ST)系数和预应力(ST)系数均取1．0，其组合名称为施工阶段(CB)，即在正在拆除支架的过程中，连续梁受梁体自重和预应力荷载的叠加作用。

工况1沿桥向各关键节点上、下缘正应力如图10所示。由图10可以得出，全桥的最大正应力为－0．28 MPa，最小正应力为－9．4 MPa，均是压应力，明显小于规范规定的C50混凝土的轴心抗压强度，所以全桥处于安全范围以内。

工况1沿桥向挠度如图11所示。由图11可知:左边跨和右边跨上挠，中跨下挠;各跨最大挠度均出现在跨中处，左、右边跨最大挠度均为7．181 mm，中跨最大挠度为4.020 mm，小于几何指标规定的允许值40 mm。然而，左、右边跨上挠不利于结构安全。

图11 工况1沿桥向挠度

从MIDAS/Civil后处理程序中提取全桥各支座处的反力，如表1所示。从表1中数据可以看出，支座处所有反力均向上，并没有出现负反力，结构是安全的。

表1 工况1全桥各支座处反力

4．2 工况2有限元分析

工况2沿桥向各关键节点上、下缘正应力如图12所示。由图12可以得出，全桥的最大正应力为－0．33 MPa，最小正应力为－8．4 MPa，均是压应力，且明显小于规范规定的C50混凝土的轴心抗压强度，所以全桥处于安全范围以内。

工况2沿桥向挠度如图13所示。由图13可知:左边跨和右边跨上挠，中跨下挠;左边跨最大挠

图12 工况2沿桥向各关键节点上、下缘正应力

图13 工况2沿桥向挠度

度为6.300 mm，中跨最大挠度为2.502 mm，右边跨最大挠度为1.090 mm，均小于几何指标规定的允许值40 mm。然而，左、右边跨上挠不利于结构安全。

从MIDAS/Civil后处理程序中提取全桥各支座处的反力，如表2所示。从表2中数据可看出，支座处所有反力均向上，并没有出现负反力，结构是安全的。

4．3 工况3有限元分析

工况3沿桥向各关键节点上、下缘正应力如图14所示。由图14可以得出，全桥的最大正应力为 1.14 MPa，最小正应力为－7．80 MPa，且明显小于规范规定的C50混凝土的轴心抗压强度与抗拉强度，所以全桥处于安全范围以内，但是梁体出现拉应力，不利于桥梁的安全。

表2 工况2全桥各支座处反力

图14 工况3沿桥向各关键节点上缘、下缘正应力

工况3沿桥向挠度如图15所示。由图15可知：左边跨和右边跨上挠，中跨下挠；左边跨最大挠度为10．037 mm（未挖掉土模的一侧梁体向上挠度比挖掉了土模的一侧要大），中跨最大挠度为3