施工阶段墩梁固结处应力监测与分析

王乾波

(甘肃恒路交通勘察设计院有限公司,甘肃 兰州 730050)

0 引言

高墩大跨T形刚构桥是一种长悬臂结构,最大的特点是采用悬臂施工法[1],适用于地形复杂的山区及流域较大的地区.桥墩一般采用薄壁空心墩,具有自重轻、柔度好等特点.梁体与桥墩采用墩梁固结的方式连接成整体,具有良好的抗震性能,适用于高烈度地震区以及强风区,而且桥型简洁美观.

悬臂施工过程中墩梁固结处是整个T构受力最复杂的区域,零号块属于大体积混凝土,其施工过程比较复杂,从底板到腹板、顶板的混凝土浇筑和预应力张拉都会对其应力产生影响[2-3].目前,对刚构桥整体的研究比较完善,但是对墩梁固结处的空间局部应力研究尚有欠缺,尤其是施工过程对应力分布的影响研究较少.本文依托实际工程,利用有限元分析软件Midas/FEA建立了悬臂施工过程的有限元模型,结合现场实际监测数值,分析了整个施工过程中墩梁固结处应力的分布规律.

1 工程概况

1.1 主体构造

以某T形刚构桥为工程背景,该桥处于黄土地区,地形起伏较大,坡面较陡,采用大跨T构一次跨越深沟,T形刚构孔跨布置为(96+96)m.该桥为直线桥,总体布置如图1所示.

图1 T形刚构桥总体布置(单位:cm)

该桥梁体为单箱单室变高直腹板箱形截面,墩梁固结处梁高11.0 m,箱梁顶板宽7.5 m,顶板厚0.535 m,单侧悬臂长1.25 m;箱梁底宽5.0 m,底板厚度由悬臂根部1.30 m渐变至梁端直线段0.50 m;腹板厚度0.50～1.10 m.零号块构造如图2所示.

(a) 纵断面

(b) 横断面图2 零号块构造(单位：cm)

桥墩采用矩形截面的薄壁空心墩,顺桥向内外壁为竖直,横桥向内外侧按一定坡率变化,下部结构及基础如图3所示.

(a) 正面

(b) 侧面图3 空心墩构造(单位:cm)

1.2 施工过程

零号块高度为11 m,采用2次分层浇筑.零号块施工完毕后,利用挂篮悬臂浇筑法对称施工,每个节段长4 m.本次施工节段的划分及编号如图4所示.

图4 施工节段划分

2 有限元计算

2.1 有限元模型

采用Midas/FEA软件建立施工阶段有限元模型,所建模型如图5所示.墩梁结合部位构造比较复杂,为满足高精度的要求,采用实体单元模拟主梁、空心墩和承台混凝土,线单元模拟预应力筋.本次只分析墩梁固结部分的详细受力情况,因此对零号块3个方向的预应力筋均进行模拟,而对其他的施工阶段进行了简化,只模拟纵向的预应力筋[4-5].结构各部分的物理参数如表1所示.

表1 结构物理参数

图5 T构有限元空间模型

本次有限元模拟考虑了施工阶段永久作用和可变作用,主要包括预应力张拉、挂篮荷载、风荷载、二期恒载、以及基底不均匀沉降等外力的作用,最不利荷载工况组合如表2所示.

表2 不同荷载工况组合

2.2 计算结果

利用软件计算得到各工况的应力分布规律,纵向应力云图如图6所示.可以看出,零号块混凝土施工初期,拉应力出现范围较大,随着施工阶段预应力的张拉,顶板拉应力逐渐消失,后期顶板完全受压.

(a) 工况1

(b) 工况4

(c) 工况5

(d) 工况6图6 纵向应力云图(单位：MPa)

3 施工阶段应力监测

3.1 应力测试原理

本次采用埋入式混凝土应变计进行监测,其工作原理是依据内部导线的感应,来传递结构应力的变化,用公式表示为

ε=αf2,

3.2 现场监测点布置

混凝土应变计埋置在截面几何形状突变处,全桥共埋置了16个应力测试点.由于桥横向受风荷载影响较大,测点的布置考虑受风区侧和背风区侧,应力测试截面及测试点细部布置如图7所示.为提高应力测试的准确性,每隔4 h对该T形刚构桥的监测数据进行提取.

(a) 零号块腹板

(b) 零号块顶板

(c) 零号块底板图7 墩梁固结处应力测试点埋置示意

4 理论计算结果与实测值比较

通过有限元模拟,计算了施工阶段墩梁固结处各个工况荷载下不同部位的应力(不考虑水化热温度场对墩梁固结的影响).根据现场测试元件的埋设位置,提取有限元模型相同位置处的计算数据,对理论数值和实测结果进行对比与分析.

4.1 顶板测点应力的理论计算结果与实测值

图8为顶板处测试点的纵向应力变化曲线.

(a) 受风区

(b) 背风区图8 顶板测点纵向应力变化曲线

从图中可以看出,在施工过程中,顶板整体处于受压的状态,且压应力表现出增大的趋势.测点1和测点2的纵向应力曲线基本吻合,最大应力为-12.34 MPa.

4.2 腹板处测点的应力理论计算结果与实测值

图9为腹板处测试点的竖向应力变化曲线.

图9 腹板纵向应力变化曲线

从图中可以看出,腹板在施工阶段产生的应力为压应力,并呈现出变大的趋势.测点5和测点6的应力变化规律基本吻合,最大应力为-5.421 MPa.

4.3 底板测点应力的理论计算结果与实测值

根据理论分析结果和现场实测,底板的应力以压应力为主,随着施工阶段呈现出变大的趋势,纵向应力变化过程较快,横向应力和竖向应力变化过程比较缓慢,体系合龙之后,压应力有所减小.底板处测点最大应力值如表3所示.

表3 底板测点应力值 MPa

5 结论

1) 顶板在初期以拉应力为主,后期在悬臂施工阶段处于受压的状态,在风荷载的影响下,背风侧和受风侧的应力有所不同,压应力峰值为-12.34 MPa,理论计算结果和实测值的变化规律基本相符.

2) 腹板的竖向应力在施工过程中处于增大的趋势,横向对称测试点的应力基本相等.最大悬臂阶段时竖向应力峰值为-5.42 MPa,理论计算结果和实测值的变化规律基本相符.

3) 底板监测点以压应力为主,横向应力小于纵向应力,竖向应力最大.在施工过程中,纵向应力增大趋势比较明显,而横向应力变化最为缓慢,且应力值较另两个方向应力值小.

4) 预应力的张拉对零号块应力产生了影响.横向和竖向预应力的张拉对墩梁固结处混凝土的应力有减小的作用,尤其表现在主拉应力的减小.