現(xiàn)澆混凝土箱梁碗扣支撐體系有限元模型研究

□文/吳 冬

現(xiàn)澆混凝土箱梁碗扣支撐體系有限元模型研究

□文/吳 冬

文中對現(xiàn)澆混凝土箱梁及下部碗扣支架體系進行有限元數(shù)值模擬分析并以實際工程為例，對碗扣支架各個有代表性的部位進行實測實量，通過實測值與理論值進行比較，為合理選取箱梁及支架的有限元模型奠定基礎。

有限元模型；現(xiàn)澆混凝土箱梁；碗扣支架

目前碗扣支架作為現(xiàn)澆混凝土箱梁的支撐體系應用相對較廣，它由立桿、橫桿、上下碗扣及限位銷等組成。搭設支架前，通常只是把碗扣支架空間受力模型簡化為平面模型進行計算且只對單根立桿進行受力分析，缺乏對橫桿的考慮；然而實際施工時碗扣支架在承受荷載過程中為空間整體受力狀態(tài)，加之上部荷載分布不均勻，因此單純的簡化為平面計算并不是很恰當。在此情況下，必須尋求合理的空間計算模型，將支架與上部待施工的混凝土構(gòu)件進行有機的結(jié)合，統(tǒng)一建模，才能實現(xiàn)較為精準的分析結(jié)構(gòu)。而對于有限元模型的建立，必須最大限度貼合工程實際情況，采用不同單元類型對施工過程中的各種構(gòu)件進行判別，合理分析主要受力構(gòu)件的受力狀態(tài)并結(jié)合現(xiàn)場試驗，最終確定貼合實際施工情況的有限元模型。

模型建立

以天津集疏港二、三線互通立交工程主線24～28現(xiàn)澆混凝土箱梁為建模對象，通過現(xiàn)場試驗結(jié)果與理論數(shù)據(jù)的比確定合理的模型。梁體為單箱四室，高度為1.8m，箱梁翼緣長度為2.91m，腹板厚度均為0.5m。見圖1。

為了保證地基的承載力及剛度，施工前必須進行統(tǒng)一處理，采用兩步三七灰土夯實，每層厚度20cm，保證地基承載力達到300kPa。

上部箱梁結(jié)構(gòu)及下部碗扣支架體系采用大型有限元軟件進行建模分析，結(jié)構(gòu)各組成部分對應的單元及參數(shù)見表1。

表1 模型各構(gòu)件所采用單元類型

按照實際情況建立上部結(jié)構(gòu)模型，上部結(jié)構(gòu)的荷載通過節(jié)點耦合傳遞給腳手架支撐體系。

建立單元

將表1中的單元逐個建立，輸入彈性模量、泊松比、實常數(shù)等參數(shù)。其中鋼束單元指定了材料的熱膨脹系數(shù)，可通過降溫法實現(xiàn)預應力的施加；水泥混凝土指定了澆注時和強度形成時的參數(shù)，分別模擬混凝土在不同狀態(tài)時結(jié)構(gòu)受力的情況。

箱梁建模

按照實際尺寸建立變截面箱梁實體模型，根據(jù)對稱性，建立1/2模型并將兩次澆注的混凝土分別建立實體模型。見圖4。

建立預應力鋼束

將曲線預應力筋按實際位置建立模型，按照張拉順序的不同定義為不同的元組，以便模擬鋼束的分期張拉。見圖5。

建立腳手架模型

按照橋梁施工時腳手架的布置情況建立模型，采用垂直面相互分割并輔以工作平面分割的方法，得到交線建立線形模型，這樣不同方向的線相交的位置在劃分單元后形成共用節(jié)點，保證了模型的有效性。見圖6。

必須對立桿受力特點進行劃分，建立2種模型。

（1）腳手架豎桿采用PIPE16單元，考慮其同時承受軸向壓力、彎曲應力的作用；水平桿件采用LINK8單元，僅受軸力作用；斜桿采用PIPE16單元。

（2）腳手架豎桿、水平桿件均采用LINK8單元，各桿僅受軸力作用，不考慮其抗彎剛度；斜桿仍采用PIPE16單元。注意到此時結(jié)構(gòu)模型屬于瞬變體系，故在其側(cè)面施加水平約束。

劃分單元

實體模型建立完畢后，即可劃分不同的單元。首先在實體內(nèi)外表面分別劃分內(nèi)模板、竹膠板單元；其次采用掃略的方法對混凝土單元進行單元劃分；然后劃分鋼束、木梁，最后劃分腳手架單元。劃分單元時，應注意對需要合并或自由度耦合的節(jié)點位置進行控制，使其距離不要過大。

節(jié)點合并與自由度耦合

為保證荷載合理傳遞，需要對相關節(jié)點進行合并或自由度耦合。合并節(jié)點為竹膠板和木梁單元公共節(jié)點的合并；耦合節(jié)點自由度為預應力鋼束和混凝土節(jié)點自由度耦合以及腳手架豎桿頂端節(jié)點與木梁節(jié)點的自由度耦合。

建立約束

在模型中對應于橋梁墩臺的位置施加相應的約束，在腳手架豎桿底端施加鉸接約束。由于所建的模型考慮了對稱性，在對稱平面也施加了相應的約束。模型建立完畢之后，即可按照不同工況分別進行計算，對計算結(jié)果進行處理和分析。

腳手架模型對比分析

2種模型的應力隨工況變化規(guī)律基本一致，但得到的最大應力數(shù)值存在較大差異。不考慮豎桿受彎時水平桿件最大應力略有降低，豎直桿件最大應力降低，斜桿最大應力提高。見圖7和圖8。

由圖7和圖8可以看出，豎桿軸向應力計算結(jié)果是一致的，當計算模型不考慮豎桿受彎作用時，彎曲應力轉(zhuǎn)移到了斜桿上，從而使斜桿等效應力增大。

現(xiàn)場試驗

為驗證有限元模型的計算結(jié)果，在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工過程中對碗扣支架進行實時監(jiān)測，與理論計算結(jié)果進行對比，以判斷模型建立的合理性。為保證驗證的全面性和數(shù)據(jù)的完整性，對施工全過程進行了現(xiàn)場監(jiān)測。選取碗扣支架有代表性斷面中的豎桿和相應點位，在多個不同工況下進行應力監(jiān)測并記錄測量時的溫度。見圖9。

豎桿應力監(jiān)測采用便攜式手持應變儀進行。監(jiān)測前首先加工監(jiān)測點鋼片，加工完畢后焊接在測點位置，每兩個鋼片組成一個測點，焊接時保證兩個鋼片垂直對正并保證焊接牢固，不與周圍的碗扣、限位銷等發(fā)生沖突，兩鋼片間距控制在手持應變儀的量程范圍內(nèi)。

鋼片焊接后，記錄初始讀數(shù)并記錄讀數(shù)時的氣溫，以初始讀數(shù)作為基準值，隨工程進展分工況進行讀數(shù)，同時記錄讀數(shù)時的氣溫，最后將各工況的讀數(shù)進行匯總和處理。

理論應力與實測應力數(shù)值比較

由于測點較多，此處列出幾個主要測點的監(jiān)測試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較。

24號墩柱旁箱梁中腹板下豎桿

此位置豎桿下端即測點6的實測應力與兩種理論模型應力變化見圖10。

24號墩柱旁箱梁底板下豎桿

此位置豎桿下端即測點3的實測應力變化見圖11。

24～25 跨跨中箱梁中腹板下豎桿

此位置豎桿下端即測點18的實測應力變化見圖12。

濕接頭箱梁底板下豎桿

此位置豎桿下端即測點21的實測應力變化見圖13。

結(jié)論

比較各測點實測應力和2種模型對應位置豎桿的計算結(jié)果，可以得出兩種模型得到的內(nèi)力計算結(jié)果與實際情況均能較好地吻合，對于支撐體系中最主要的受力桿件豎桿而言，內(nèi)力計算都是較為準確的。這是因為豎桿考慮受彎曲應力時，彎曲應力在等效應力中的比重較低，在豎桿受力水平較低或水平桿件密度較高時，彎曲應力的作用愈加不明顯。

2種模型中，豎桿考慮受彎曲應力情況的結(jié)果更接近實測情況，說明豎桿受力考慮彎曲應力時計算結(jié)果更為精確。對于豎桿僅考慮受軸力的模型，其計算結(jié)果也能滿足工程要求，相對而言桿件受力明確，計算過程簡單；但其缺點在于模型為保證能夠計算，要求幾何不變，故存在著與實際情況不一致的橫向約束，從而不能分析支撐體系整體穩(wěn)定的問題，使計算結(jié)果存在一定的不確定性，當應力水平較高時須注意用考慮豎桿受彎曲應力情況的模型驗證。

U448.21

C

1008-3197（2010）06-36-04

2010-03-17

吳 冬/男，1978年出生，工程師，天津第三市政公路工程有限公司，從事施工技術管理工作。