大跨连续刚构桥T构悬臂施工阶段受力分析 关 伟 (山西省交通科学研究院,山西太原030006) 摘要:以浮山县丞相河特大桥为背景,该桥为一座 预应力混凝土连续刚构桥,主桥跨径为66.5 m+ 120 m+66.5 m,横断面为单箱双室截面。采用 Midas FEA有限元软件对该桥主桥T构进行仿真 实体建模,对其悬臂施工阶段进行静力、动力及稳 定性分析,得出T构悬臂施工阶段结构的力学 特性。 关键词:桥梁工程;T构;力学特性;应力;振型; 模态 中图分类号:U448.23 文献标识码:B Stress analysis of T structure cantil—— ever construction stage of long span continuous rigid frame bridge G Ⅳ耽i (Shanxi Transportation Research Institute,Shanxi Taiyuan 030006 China) Abstract:This article is based on the background of the Chengxiang River large bridge in Fushan County.The bridge is a prestressed concrete continuous rigid frame bridge.The main span is 66.5+120+66.5m.Its CROSS section is a single box double room section。The Midas FEA software is used on the simulation modeling of T— frame of the main bridge.The static force,dynamic force and stability in the cantilever construction stage are analyzed,and then the mechanical properties in the T— rfame bridge cantilever consturction stage is obtained. Key words:bridge engineering;T—frame;mechanical properties;stress;vibration mode;modality 收稿日期:2O16—12—03 作者简介:关伟(1982一),男,陕西户县人,高级工程师。 引言 高墩大跨径预应力混凝土连续刚构桥梁多采用 悬臂浇筑法施工,在施工阶段的受力最为不利 。为 保证桥墩结构在悬臂施工阶段的稳定安全,弄清其在 悬臂施工阶段的受力特征,了解其应力集中区域、结 构易于出现裂缝区域,并对其进行静、动力及稳定性 分析很有必要。 1 工程概况 丞相河特大桥主桥结构形式为66.5 m+120 m+ 66.5 m预应力混凝土连续刚构,采用单幅布置。前右 角9o。,桥梁全长1 341 m。主桥上部为预应力混凝土变 截面箱梁,横断面为单箱双室截面。箱梁顶板宽度 19.0 m,底板宽度13.5 m,悬臂长2.75 m。箱梁跨中梁 高2.5 m,根部梁高7.5 m,梁高变化H=2.5+5×(∥ 54.5) 8。主梁采用C55混凝土,三向预应力结构。 一个T构纵桥向设17个对称梁段,箱梁0#块长 1l m,单侧悬臂梁块段长53.5 m,悬臂浇筑最大梁段 重量为2 041.5 kN,挂篮重量为90 t。主梁1#一17#块 采用挂篮悬臂施工。一个T构主要施工工序:(1)施 工桩基及承台;(2)施工双肢薄壁墩墩身;(3)墩身施 工完成后在托架上浇注0#块;(4)在0样块上安装、调 试、试压挂篮;(5)从0#块向两侧对称依次平衡悬臂 浇筑施工1撑一17撑块,同步张拉相应悬浇块预应力钢 筋,直至施工至17#块梁段。 主墩采用与主梁梁底等宽的双肢等截面矩形空 心薄壁墩且与主梁固结,单肢纵桥向宽度为2.5 m,在 1/2墩高处设置一道墩身系梁。主墩采用C40混凝 土,主墩7#墩为最高,墩高为81.6 m。主墩承台为矩 形承台,横桥向长度为18.6 m,纵桥向宽度为13.6 m, 高度为4 m。承台采用C30混凝土。 2有限元建模 丞相河特大桥T构悬臂施工采用Midas FEA有 限元软件仿真建模数值分析,整体坐标系沿横桥向为 x轴,纵桥向为Y轴,竖桥向为z轴。主梁、桥墩和承 台混凝土采用实体单元模拟,并采用自动网格对其进 行划分,实体单元长度按50 cm控制,实体模型共划 一59— 关伟:大跨连续刚构桥T构悬臂施工阶段受力分析 分117 092个节点和321 759个单元。三向预应力钢 柬采用钢筋梁单元模拟,并考虑施工过程中预应力的 损失。桥墩墩顶与主梁0#块底板共节点,桥墩墩底与 承台顶面共节点,承台底面采用固结约束。计算模型 尺寸与施工图中主梁、桥墩及承台尺寸相同,计算考 虑结构自重、预应力、挂篮重量、混凝土收缩徐变的影 响。T构空间有限元实体网格模型图见图1。 图1 T构空间有限元实体网格模型。 3静力特性分析 3.1上部主梁应力结果 在T构悬臂施工过程中,结构所受荷载由于悬浇 梁段的施工,处于不断变化的状态。T构主梁顺桥向 正应力较为复杂多变,当正应力表现为拉应力时,易 使主梁结构横桥向出现裂缝,对T构结构的安全影响 严重。计算了T构l#一l7#梁段施工后主梁顺桥向正 应力,T构箱梁横断面及点号位置见图2 图3为1、 5、8、13#块施工后主梁顺桥向正应力。 图2 T构箱梁横断面及点号位置 随着T构梁段悬浇施工向桥墩两侧不断推进,从 图3可以看出:(1)主梁箱梁横断面顺桥向正应力沿 断面横向变化不均,以腹板与顶板交界处顶板顶处为 最大。(2)主梁箱梁顺桥向正应力逐渐增加,17#梁段 施工后主梁悬臂根部压应力最大,即0#块端部均处于 受压状态,压应力最大为17.918 MPa。(3)在最大悬 臂状态下,T构两侧有很长一段区域(约27 111)的顺桥 向正应力变化不是很明显。(4)在最大悬臂状态下, 整个主梁顺桥向几乎均处于受压状态,说明该桥的预 应力设置合理有效。 从图4可以看出:(1)1#-14#块施工后,0舟块断 面正应力(主要为压应力)呈逐渐增大趋势,15 17# 块施工后,O#块断面正应力增幅趋势较小,是因为14# 一60一 块施工后,箱梁纵向预应力无腹板束,顶板纵向预应 力由3束变为4束,纵向预应力束数量减少所致。 (2)在l5#一l7#块施工后,0#块断面正应力曲线图在 中腹板附近出现“驼峰”现象,是因为顶板纵向预应力 束在中腹板顶顶板内配置了2束所致。(3)0#块顺桥 向正应力在17#梁段施工后为最大,压应力最大为 14.788 MPa 2 O 蚕二 一 一8 一10 0 4 8 12 l6 20 24 28 32 36 40 箱梁横断面顶板点号 (-3)l掸块施工后(, 一1 断面正应力 -8-一一一一一一 . .圜 4 ’ O 一2 皇-4 一 -8 一10 一l2 —14 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 箱梁横断面顶板点号 (c)蹦块施工后o#--8# ̄面证应力 ——一 截面 —・一l#截面 — 一2舟截面 十3.#1a面 +4#截面 —・一5#截面 —— 6l#截面 +7#截面 —.-一8#截面 —-一9#截面 +l惴截龋 — 一I1社截面 -*_12#截面 I 13#截蕊 0 4 8 l2 I6 2O 24 28 32 36 4O 箱梁横断面顶板点号 (d)l姊块施工后僻一l:}删 面iE} ̄7力 图3 T构箱梁典型横断面正应力 山东交通科技 ^ 量一 茸 O ]j{ H::::4 :lJ.・一“… t..….。f ∞ . . …”—~: , ::: “‘./ ““ ‘ “ ~ ‘ j{.蠹爹瑟墓要・ h ・p—H ・ n¨¨・.’~.◆・¨’ 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 4O 墩中心线处()}I块箱梁横断面顶板点号 (a)e,#--8 ̄工后O 块断面正应力 一 寰 一 一毫 一 ≯漤 聒蒋 煺罨= 6 4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 2 O 2 4 6 墩中心线处O 块箱梁横断面顶板点号 图4 T构墩中心线处0#块横断面正应力 3.2上部主梁变形结果 图5为T构悬浇梁段0#一17#块施工后主梁纵桥 向中心线顶板顶面悬浇块端部的竖向位移曲线图,图 中正负值均是以整体坐标系而言,正值向上,负值 向下。 从图5可以看出:(1)随着T构悬浇块施工数量 的增加,主梁悬浇块端部竖向位移出现上翘,呈增大 趋势,7#块施工后为主梁竖向位移正负值分界线。甜 甜钳 1}}-7#块施工后主梁悬浇块端部竖向位移在一4.5~ 脚髓黼 髓蚍r 一 髓一1.4 mm间变化,变化不明显。8#~17#块施工后主 后后后后庸后后后 梁悬浇块端部竖向位移在4.4~54 mm间变化,变化 较明显 (2)随着悬臂长度的增加,主梁中心线顶板 相同点号位置的位移值也在相应增加,施工至最大悬 臂状态时,墩中心线0#块顶板竖向位移从一4.5 mm 增加至一8.0 mm,15#_17#块顶板相同点号位置的竖 向位移有所减小,是因为l5#一17#块顶板预应力束有 所减少,箱梁自重逐渐压倒预应力束的作用而致,但 是主梁顶板竖向位移还是呈现增加趋势。 3.3墩身应力结果 图6中竖向路径A、B位于双肢薄壁空心墩外侧, 桥墩横向中心线处。 从图6可以看出:(1)主梁悬浇块从0#块施工至 17#块过程中,墩身顶至底八分点处正应力(压应力) 呈增大趋势。(2)竖向路径A在墩底10.2 m范围内 2017年第1期 O I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 主梁纵桥向中心线顶板点号 (a)o#一8#块施工后主梁竖向位移 一 暑 曼 、_一 》 滁 箍 臻 煺 一 O 2 4 6 8 lO l2 l4 16 l8 2O 主梁纵桥向中心线顶板点号 (b)9襻一l7#块施工后主梁竖向位移 图5 T构主梁竖向位移Vz = 、 -R 理 0.00 0.25 0.50 n75 1 00 墩身骥至底点位(墩高/8) (a J竖向路径A墩身正应力 一 皇 一 R ・0.00 025 n50 0.75 I.00 墩身顶至底点位(墩高/8) (b)蝼向路径B墩:蟹正应力 图6 0#一17#块施工后竖向路径A、B墩身正应力 墩身正应力有所减小,竖向路径B墩身正应力则变化 不明显,是因为双肢薄壁空心墩墩底设计了3 m高实心 段。对于箱形截面薄壁空心墩在承台与墩身相接处、距 离承台顶面一定区域内(0—5 m),横桥向易于出现竖 向裂缝 ,在该区域设置实心段是墩身结构受力的需 要,同时也可降低墩身底出现竖向裂缝的风险。 一61— 关伟:大跨连续刚构桥T构悬臂施工阶段受力分析 3.4系梁应力结果 娄 、 疑 0.00 0.25 0.50 0.75 l 00 墩中心线处系粱顼l酊横桥问点位 (a)系-鬻顶颟正虚力 一 长 Il莓{苎}兰三三二苎苎 至苎一 蓊 三三三二量兰墨苎量苎 一 墩中心线处系粱顶i矗i横桥向点位 (h)系粱底蜥正应力 图7 0静一17#块施工后墩中心线处系梁顶、底面正应力 从图7可以看出:(1)系梁顶面横桥向四分点正 应力从5#块施工后由一0.124 MPa变化到 0.117 MPa,即压应力变化为拉应力,相同点位正应力 呈增加趋势。(2)系梁底面横桥向四分点正应力从1# 块施工至17#块过程中,正应力从0.219 MPa变化到 0.094 MPa,表现为拉应力,相同点位正应力呈减小趋 势。(3)T构施工至最大悬臂状态时,系梁顶底面四 分点均出现拉应力,在系梁配筋时应注意上下缘都需 配置受拉钢筋。 4动力特性分析 结构的自振频率和振型是结构本身固有的特性, 结构的内力和变形与结构的自振频率和振型关系密 切。结构固有振动的计算属于求解特征值的范畴,特 征值求解方法有能量法(Rayleigh、Ritz、Galerkin法)、 幂法、逆迭代法、子空间迭代法、兰佐斯法等等 。 本文T构悬臂施工阶段结构特征值分析采用子空间 迭代法,迭代次数30次,计算T构悬浇块悬臂施工阶 段的1O阶振型。T构各悬浇块施工后1—1O阶振型 频率见图8,T构最大悬臂施工阶段1O阶振型见图9 及自振特性参数见表1。 ; 6 i; 3 嚣 0 l 螺 峰蝎瞎怄 蜂肾l 訾骂鼍登酱弩鉴訾i i;{l i 并芎 !岛 普 尊 蔷 毒 呈 = : 1 2 图8 T构各悬浇块施工后振型频率图 一62一 T T T T T (a)第1阶搬捌 (h)第2骱振删 ( )第3阶攘型 (t1)第4阶振型 ( )第5阶振l捌 T T T T 图9 T构最大悬臂施工阶段10阶振型 表1 T构最大悬臂阶段自振特性参数 从图8可以看出:T构各悬浇块从0#块一17#块 施工后振型频率逐渐减小。从图9可以看出:T构从 0#块施工至最大悬臂17#块阶段结构为静定结构,与 相邻T构未形成连接,其l阶振型特征表现为T构纵 桥向侧倾,出现侧向弯曲现象,在T构施工至最大悬 臂阶段时,侧向弯曲风险较大。对T构产生不利影响 的主要为施工机具竖向不平衡力及纵桥向风载,这在 连续刚构桥梁结构设计中应予以重视,并应在T构施 工阶段分析时充分考虑施工机具的不平衡荷载及风 载对T构结构内力的影响。 T构各悬浇块施工后的l0阶振型频率在0.308 —7.545 Hz之间,而前3阶振型频率在0.308—1.759 Hz之间,结构固有频率偏小。从表l可知:T构最大 悬臂施工阶段1阶振型频率为0.308 Hz,结构的破坏 往往发生在前几阶频率 ],前3阶振型频率较小说明 结构整体刚度较小。 5稳定性分析 龌 肾 豫姆螺蝇簧錾鉴鉴翟鉴坚坚 i掰 8 兰暑 蔫i ; 魏 罄 茸 蠢 雾 il{ = " -2 i : i{i 2= = 图lO T构各悬浇块施工后稳定系数 山东交通科技 采用线性屈曲分析对T构悬臂施工阶段进行稳 定性分析,计算T构悬臂施工阶段10阶屈曲模态。 2017年第1期 面均处于受拉状态,对防止墩身出现拉应力是有 益的。 参考文献: 构件的屈曲分析属第一类稳定性问题,对结构进行屈 曲分析可得到结构的临界荷载系数和对应的屈曲模 态特征。T构各悬浇块施工后结构的稳定系数见 图lO。 [1] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通 出版社,2001. 从图10可以看出:(1)T构各悬浇块从0#块一 17#:lf/ ̄施工后结构稳定系数逐渐减小。(2)T构最大 [2] 陈建英,贺国京,唐华,等.薄壁箱形截面桥墩竖向开 裂空间分析[J].中外公路,2013(8):127—130. 悬臂施工阶段1阶稳定系数为最小25.515,T构最大 悬臂施工阶段为施工最不利阶段,在设计中可依此阶 段为进行稳定性分析的依据。 [3] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出 版社.2001. [4] 何波,郭小川,周宏平,等.大跨薄壁墩连续刚构桥动 力特性研究[J].世界桥梁,2006(4):40—43. [5] 周朋,黄才良,张哲,王会利,等.不对称连续刚构桥 动力特性分析[J].公路,2013(12):83—87. 6结语 (1)T构主梁、墩身、系梁静力分析应力结果均满 足规范要求 J,T构在悬臂施工阶段处于稳定状态, 结构安全。(2)T构最大悬臂状态1阶振型频率为 0.308 Hz,结构易出现侧向弯曲,在每个悬浇块施工 时应严格控制其截面施工尺寸,并应注意挂篮等施工 机具的布置,做到平衡施工,确保T构施工安全。(3) 墩身设置系梁是T构施工阶段结构安全的需要。悬 [6] 宗周红,赖仓林,林友勤,等.大跨径预应力混凝土连 续刚构桥的动力特性分析[J].地震工程与工程振动,2004 (3):98—104. [7] 陈福斌,丁茂瑞,李海,等.钢桁腹梁桥结构构件的空 间受力特性分析[J].中外公路,2013(8):188—190. [8] JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥 臂施工阶段在墩身设置1道系梁结构的稳定系数有 所提高,若是设置多道系梁会使T构稳定系数减 小 ]。设置系梁的目的主要是增大高墩的纵桥向刚 度,墩身设置系梁在T构施工至最大悬臂阶段系梁顶 (上接第58页) (3)主梁自重、斜拉索张拉力对主梁线形的影响 程度大,属于敏感性参数,主梁刚度为较敏感性参数, 拉索索力对主梁位移影响小,属于非敏感性因素。其 中,梁自重作为恒载中最重要部分,其改变将直接影 响主梁线形,斜拉索索力作为恒载中的主要部分,对 主梁线形也有很大影响。 衰2主梁线形的影响因素分析 涵设计规范[s]. [9] 王钧利,贺拴海,等.大跨径连续刚构桥高墩设计与 稳定性[J].长安大学学报(自然科学版),2006(5):35 —39. 梁结构带来很大的影响,且各参数变化对结构线形的 影响程度各不相同。经参数敏感性分析可知,主梁自 重、斜拉索张拉力对主梁线形的影响程度大,属于线 形的敏感性参数。因此,主梁自重、斜拉索张拉力、能 引起矮塔斜拉桥产生较大的结构响应,需格外关注这 些参数在施工过程中的变化情况,以便及时发现、调 整、纠正,从而保证桥梁结构能施工顺利。 线形变化值(mm) 影响因素 下限值 上限值 参考文献: [1] 康晋,肖海珠,徐伟.乌苏大桥主桥上部结构设计与 计算[J].桥梁建设.2011(55):55—59. [2] 辛克贵,刘钺强,杨国平.大跨度斜拉桥恒载非线性 静力分析[J].清华大学学报,2002,42(6):818—821. [3] 王颁,瞿伟廉.大跨度公铁斜拉桥的几何非线性效应 [J].华侨大学学报,2009,30(2):103—108. [4] 李鑫.大跨度斜拉桥施工过程中几何非线性行为分 析[D].西南交通大学硕士学位论文,2013. 4结语 本文结合石湾大桥实际工程,借助MIDAS/CIVIL [5] 黄侨,吴红林,刘绍云.大跨度斜拉桥几何非线性分 析及程序实现[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36(11): 】520一】523. 有限元软件,对影响矮塔斜拉桥的4个施工参数进行 了敏感性分析。结果表明:各参数出现偏差均会给桥 一63—