绥江特大桥主桥箱梁0#段施工关键点受力分析

预应力混凝土连续刚构桥梁的0号块结构较为复杂，它是桥梁的关键部位及施工的关键工序，0号块的稳定性和受力情况也直接关系到桥梁的整体安全。在施工过程中，0号块的受力一直处于变化的状态之中，应力分布极其复杂，所以我们应该对0号块的稳定性和受力进行探讨分析，以确定它的最大应力分布位置，从而为0号块的施工及整个桥梁的施工提供理论依据。

本文以绥江特大桥为例，结合有限元软件对桥梁的0号块进行分析，对结构状态与运营安全判定提供理论依据。

0号块结构体系

对绥江特大桥第三联进行结构分析。该桥主桥结构为40m+70m+40m=150m预应力混凝土连续刚构，主跨为70m跨箱梁左幅采用单箱双室直腹板断面，右幅采用单箱三室直腹板断面，左幅顶板宽度为20m，右幅为30.182m，箱梁根部梁高均为4.2m，跨中及边跨合拢段梁高为2.1m，箱梁底板下缘按2次抛物线变化。

0号块长10m，箱梁底板厚度为70cm，各梁段底板厚从悬臂根部至悬浇段结束处由70cm～30cm，其间按2次抛物线变化，跨中合拢段及边跨现浇段为30cm；箱梁顶板厚度均为28cm；主跨箱梁腹厚度0号块为65cm；主梁悬臂长度为3.875m，箱梁横桥向底板与顶板保持水平，顶板与底板均形成横坡。0号块结构示意如图1所示。

主桥墩的墩体施工结束后，即开始箱梁的0#段施工。先进行承台顶混凝土上预埋钢板，在支架钢管支撑的地方，在钢板上焊接直径φ820mm的钢管支架并且在第一层焊接直径为φ325mm螺旋管、第二层焊接φ325mm螺旋管（螺旋管无法焊接位置采用28槽钢）这样平联，足以强化支架的整体稳定。纵向放置的双拼I56工字钢作为垫梁，上面架设I36b工字钢担当接受承重受力的角色。支架搭设采用25t汽车吊搭设。

图1 0号块结构示意图

表1 结构材料参数

有限元分析

0号块有限元模型

墩顶0号块属于上部结构悬臂施工的起点与基础，由于钢筋与管道分布过于密集，悬臂梁在高空作业时有太多大方量的高强混凝土浇筑等诸种原因，从而导致0号块梁段在施工时，极易出现压溃、开裂过多等影响结构安全的现象。为确保施工质量和施工安全，对其进行局部空间受力分析具有非常重要的意义。

有限元模型本构如表1所示。

0号块有限元模型是用ABAQUS中的8节点六面体线性减缩积分单元（C3D8R）来建立的，其中在实体单元定义是大致均衡的同性材料。缩减积分单元，指的是在每个地方都要比完全积分单元少用一个积分点。而线性减缩积分单元则是由于“沙漏（hourglass）”数值存在的问题，于是单元的中心有了一个积分点。如图2所示，单元中虚线的长方向维度没有发生变化，且它们两者之间的夹角也没有变化，这就充分说明在单元的单个积分上的所有应力的分量都是等同于零。另外，因为单元变形而又没有产生必要的应变能量，导致这个变形的弯曲模式变成为一个零能量模式。同时因为单元在这个模式下无刚度产生，这样就造成了单元无法适应这种情况下的形式的变形。在这种粗划网格之中，这样的零能量模式就能经过网络的一再扩展，导致产生一些毫无任何意义的结果。对沙漏现象的分析如下：

这里B矩阵的表达式简记为：

单元的刚度矩阵为：

其中n为高斯积分的点数，n=1时为一点积分。

容易求出一点积分有限元刚度矩阵的秩：

本文引进“沙漏刚度”的方法，借以完成对线性减缩积分单元中沙漏模式扩展的制约。众所周知，网格的数目越多，就会导致这个限制越发明显地出现。这一类线性减缩积分单元主要的优势有：1、对位移问题可以进行更进一步的精确求解；2、分析精度时不会受网格的扭曲变形的限制；3、就算有弯曲荷载的情况发生，也同样出现不了自锁的情况。基于这三个方面的优势，笔者试着应用C3D8R实体单元来进行聚合物砂和混凝土模型的有限元网格的划分。

一般在ABAQUS软件中，往往采用定义于Rebar和使用嵌入单元（EmbeddedElement）的方法来实现混凝土中加强筋的模拟模型建造。其中，Rebar本来是无尺度的，就像一维应变理论的杆单元那样，它并不是真正的单元，而只是存在于某一平面内实现成批的或者单个的定义。

图2弯矩作用下减缩积分线形单元的变形在这样的情况下，Rebar大多被用于金属塑性以嵌入多种类型的单元之中。同时，使用Rebar来实现混凝土中加强筋的定义时，它常常就被认为与混凝土是相互独立的。其实，模拟过程时仍要充分考虑到销子效应和捆绑移动等的相互作用，一般会使用导入“拉伸强化（Tension Stiffening）”的方法，这样来模拟出现Rebar穿越裂纹对传递荷载的过程。只是当前的ABAQUS版本中，CAE模块尚不能支持Rebar显示。具体计算模型如图3所示。

图3 0号块有限元模型

施工支撑体系有限元模型

支架的自重由程序自行计算，模板自重及混凝土荷载按线性均布荷载计算，计算取混凝土容重为26kN/m3。荷载计算加入1.2系数。施工荷载可分为：支架、模板自重，人群、机械荷载，0号段的混凝土荷载。

计算结果

本模型根据实际受力阶段分为0号块的施工阶段、最大悬臂阶段和最不利成桥阶段，从midas计算结果中提取相应的内力值（轴力、剪力、弯矩）加到ABAQUS模型相应的截面上。计算值如表2所示。

由各阶段的钢筋应力云图可知，钢绞线的最大主拉应力已经达到了1395MPa。由最不利成桥阶段的混凝土应力云图可知，混凝土的最大主拉应力已经达到2.25MPa，最大主压应力达到26.48MPa。

对于施工支撑体系计算所得，结构的最大位移为24.1mm，承重梁I36工字钢的最大组合应力为110.4MPa，垫梁I56工字钢的最大组合应力为107.0MPa，φ820钢管桩的最大组合应力为91.0MPa，φ325平联管的最大组合应力为56.7MPa，均小于材料的屈服应力。对该支架进行迭代分析，计算得出支架稳定性系数为49。

表2 内力分布值

结论

根据模型和相关分析可以得出：绥江特大桥的0号块设计趋于合理，应力也符合要求，基本满足了现场施工要求；0号块最大应力发生在最为不利成桥阶段，横隔板处出现最大主拉主压应力，这就需要在设计中合理地选择横隔板和过人洞的位置，从而合理地布置受力钢筋，最大程度地避免应力集中的现象发生；对于0号块施工支撑体系计算可得，采用设计支撑体系结构的刚度、应力大小以及稳定性都在容许值内，满足实际的工程要求。