基于midas軟件的連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)邊界條件的分析

吳小強(qiáng),李盛斌

（延安大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西延安,716000）

連續(xù)梁橋由于超靜定結(jié)構(gòu)體系的影響，在支點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)彎矩，跨中的正彎矩被大大縮減，因此此類橋梁在荷載作用下，支點(diǎn)處和跨中的彎矩都會有所縮減。目前常見的連續(xù)梁橋有三種結(jié)構(gòu)類型，一般為連續(xù)梁、T型剛構(gòu)和連續(xù)剛構(gòu)，對于連續(xù)梁橋又可分為變截面和等截面連續(xù)梁橋，本文依托的工程實(shí)例沈陽蘇北大橋主橋是變截面連續(xù)梁橋，該橋采用的施工方法是懸臂澆筑施工。該類橋梁，一般僅僅設(shè)置兩條伸縮縫，伸縮縫的減少能保證行車的舒適與平順。另外在橋梁結(jié)構(gòu)承受動力荷載和溫度及支座變形等因素干擾下產(chǎn)生的二次應(yīng)力也較少，相對于連續(xù)剛構(gòu)橋梁來說，此類橋梁超靜定次數(shù)較少，施工過程需要體系轉(zhuǎn)化和臨時固結(jié)，跨度相對較少，但是由溫度及支座變形等引起的應(yīng)力較少。

0 前言

連續(xù)梁橋在當(dāng)今橋梁建設(shè)中的應(yīng)用非常廣泛，連續(xù)梁橋具有剛度大、變形小、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)梁橋的施工方法具有多樣性，目前常用的主要有滿堂支架施工和掛籃施工。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工目前主要采用的是掛籃施工的方法。例如上世紀(jì)七十年代采用+懸臂施工方法制造的蘭州黃河大橋。目前最大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的跨徑已經(jīng)達(dá)到了165m，由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?qū)儆诔o定體系，在橋梁的施工過程中，涉及到很多的結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的知識，對于連續(xù)梁橋，在體系轉(zhuǎn)換和臨時固結(jié)等節(jié)點(diǎn)邊界條件的重要性必須引起重視，因?yàn)檫吔鐥l件的改變直接影響著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。目前常用的有限元分析軟件是橋梁博士和midas，這兩種有限元軟件在結(jié)構(gòu)模擬分析中應(yīng)用十分廣泛，并且有力的指導(dǎo)了工程實(shí)踐。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控時，也往往需要這兩種軟件建立有限元模型，并且對于每一個施工工況進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，模擬過程中注意邊界條件的轉(zhuǎn)化及結(jié)構(gòu)單元的添加與刪除，最后得出每個控制界面在各個施工工況下產(chǎn)生的應(yīng)力及撓度變形，把這些得出的數(shù)值作為理論值，指導(dǎo)施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變。而結(jié)構(gòu)的邊界條件往往是結(jié)構(gòu)有限元軟件模擬的準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元軟件模擬分析前，必須要搞清楚結(jié)構(gòu)的邊界條件的變化，要忽略一些次要因素，注意現(xiàn)實(shí)條件與軟件計(jì)算的擬合。

1 現(xiàn)行的臨時固結(jié)措施和邊界條件的模擬存在的問題

1.1 現(xiàn)行的固結(jié)措施

一般而言，進(jìn)行懸臂施工的連續(xù)梁橋，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元模擬時，首先必要要搞清楚結(jié)構(gòu)的墩梁固結(jié)措施，只有準(zhǔn)確的理解墩梁的固結(jié)狀態(tài)，才能更準(zhǔn)確的模擬橋梁的結(jié)構(gòu)邊界條件，目前對于懸臂澆筑的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋墩梁固結(jié)的措施主要有以下三種：

(1)、將0#塊梁段與主墩鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋臨時固結(jié)，待大橋合龍，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后切斷連接即可。

(2)、在橋墩一側(cè)或兩側(cè)加臨時支撐或支墩。常見的固結(jié)方式有下面三種。

(3)、將0號塊臨時支撐在扇形或門式托架的兩側(cè)。

1.2 目前有限元軟件模擬邊界條件存在的問題

懸臂施工的關(guān)鍵過程就是結(jié)構(gòu)的墩梁的臨時固結(jié)和體系轉(zhuǎn)化，臨時固結(jié)的主要目的就是保證整座橋梁建設(shè)過程中的安全與穩(wěn)定。對于大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說，必須要進(jìn)行橋梁的施工監(jiān)控，而大橋的結(jié)構(gòu)體系的邊界條件的變化是極其重要的，這直接影響著施工監(jiān)控的準(zhǔn)確性。對于此類橋梁而言，結(jié)構(gòu)的邊界條件及體系轉(zhuǎn)化極其復(fù)雜，一般為了簡化模擬過程，常常將一些復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為簡單的力學(xué)邊界條件。如何選擇精準(zhǔn)的邊界條件，對結(jié)構(gòu)的體系模擬至關(guān)重要，對計(jì)算的結(jié)果影響巨大。例如0號塊澆筑結(jié)束后，進(jìn)行墩梁固結(jié)，在進(jìn)行軟件模擬的時候一般控制x、y、z既不能發(fā)生轉(zhuǎn)動又不能發(fā)生移動，而在實(shí)際工程中，臨時錨固是有一個扭轉(zhuǎn)剛度的，由于扭轉(zhuǎn)剛度較大，一般而言我們可以簡化為墩梁的臨時固結(jié)，再如對于三跨連續(xù)梁橋，在邊跨合攏段建筑后張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線的時候，此時邊跨的滿堂支架的支撐邊界條件要發(fā)生改變，此時僅僅保留支座處墩梁的簡支，去除滿堂支架的支撐，如果未去除滿堂支架的影響，計(jì)算的結(jié)果就會產(chǎn)生奇異。再如澆筑完中跨合龍段后，邊跨兩個墩梁的鉸接要變?yōu)楹喼w系，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后要保證整座橋梁只有中跨的墩梁固結(jié)，邊跨的墩梁簡支。

2 工程概況

蘇北大橋的孔徑為55+80+80+55米，結(jié)構(gòu)體系為變截面連續(xù)梁橋，橋梁的施工手段采用掛籃懸臂施工，橋下跨越的是沈大鐵路、蘇撫鐵路、長軌基地1-3號線及編組站。由于結(jié)構(gòu)跨越鐵路的重要性要求在懸臂施工過程中必須保證結(jié)構(gòu)體系的安全與穩(wěn)定。本橋梁結(jié)構(gòu)的寬度為19.8m。橋墩采用的是滑膜施工，主梁采用的是懸臂澆筑。本橋梁的主梁的支點(diǎn)處梁高為5m，梁底按1.8次拋物線變化。

主橋中支點(diǎn)梁高5m，跨中和邊支點(diǎn)梁高2.5m，梁底線形從距墩中心1.75m到距墩中心39m按1.8次拋物線變化，頂板厚0.3m，底板厚度從距墩中心4m處的0.658m按1.8次拋物線變化到距墩中心39m處的0.3m?？缰胁糠指拱搴穸?.5m，支點(diǎn)部分腹板厚0.7m。墩頂0號塊設(shè)1個厚度3.5m的橫隔板（留檢修人孔），邊跨端部設(shè)厚度為1.55m的端橫隔板。對于縱向預(yù)應(yīng)力束設(shè)置了頂板懸臂束（T）、邊跨底板合龍束（BB）、中跨底板合龍束（ZB）、邊跨頂板合龍束（BT）五種.整座橋梁在施工過程中結(jié)構(gòu)的邊界條件最重要的兩個變化就是結(jié)構(gòu)在澆筑完0號塊時要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的臨時固結(jié)，在進(jìn)行主梁合龍的時候要進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，及墩梁固結(jié)要拆除，轉(zhuǎn)換為簡支體系，主梁采用連續(xù)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)體系邊界條件的模擬

對于懸臂施工的連續(xù)梁橋，在進(jìn)行懸臂澆筑前，必須要保證墩梁的臨時固結(jié)，在大橋竣工后又要及時的拆除臨時固結(jié)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換。對于懸臂澆筑來說，在支架上澆筑完0號塊以后就要進(jìn)行墩梁的臨時固結(jié)，這個過程要進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，模擬時要保證墩梁既不能發(fā)生位移的變化又不能有角度的轉(zhuǎn)動，這就要求我們要控制墩梁的x、y、z方向的轉(zhuǎn)動與移動。在大橋進(jìn)行合攏澆筑的時候又要進(jìn)行及時的轉(zhuǎn)化。拆除0號塊處墩梁的臨時固結(jié)，恢復(fù)整座大橋的正常連接。

沈陽蘇北大橋的結(jié)構(gòu)模擬采用的是有限元分析軟件midas進(jìn)行模擬分析，在分析過程中，必須要對橋梁結(jié)構(gòu)的臨時固結(jié)和體系轉(zhuǎn)換進(jìn)行精確地模擬分析，只有這樣才能得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。在建模過程中，我們首先要忽略掉次要因素，在模擬過程中忽略掉不可確定的基礎(chǔ)沉降、橋墩變形等因素，邊界條件的正確與否對結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算影響很大。對于本橋梁而言，在0號塊澆筑后要進(jìn)行墩梁的臨時固結(jié)，此時對于有限元分心軟件midas而言我們要控制x、y、z方向的轉(zhuǎn)動和移動來模擬28號墩、29、30號墩的臨時固結(jié)情況。在進(jìn)行邊跨合龍前，三個主墩的邊界條件都不發(fā)生改變。在進(jìn)行邊跨合攏時，用控制邊跨兩個墩的x、y、z方向的移動，并控制x方向的轉(zhuǎn)動的邊界條件來模擬邊跨兩個橋墩的墩梁連接狀態(tài)。29號墩的墩梁仍然固結(jié)。對于中跨合龍時，28號墩、30號墩這兩個邊跨的墩梁要采用控制y、z方向的移動、x方向的轉(zhuǎn)動來模擬邊跨連墩的墩梁狀態(tài)，此時，兩個墩梁固結(jié)的狀態(tài)就是不控制x方向移動的簡直體系。對于29號墩，要采用面控制各個方向的移動和轉(zhuǎn)動來模結(jié)構(gòu)體系的墩梁固結(jié)狀態(tài)。結(jié)構(gòu)體系的準(zhǔn)確模擬能夠及時反映出各個施工階段橋梁的受力狀態(tài)，為橋梁的施工監(jiān)控提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。邊界條件的不同往往影響結(jié)構(gòu)的位移及受力，這就直接影響著橋梁施工監(jiān)控的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

在模擬過程中我們要注意在進(jìn)行邊跨合攏前，邊跨現(xiàn)澆段要進(jìn)行彈性支撐模擬，在邊跨澆筑的時候要注意此時的滿堂紅澆筑的邊界調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，只有28號墩的節(jié)點(diǎn)處變?yōu)橹豢刂苰、z方向的移動不控制x方向的移動的簡支體系，其他支撐要及時的消除，否則會產(chǎn)生計(jì)算結(jié)構(gòu)的奇異。在進(jìn)行邊跨合攏時要及時的修改28號墩和30號墩的邊界條件，及時的從鉸接變?yōu)楹喼АＶ挥羞@樣才能準(zhǔn)確的模擬整個結(jié)構(gòu)體系在施工過程中的體系轉(zhuǎn)化，才能更好更準(zhǔn)確的指導(dǎo)橋梁的施工監(jiān)控。

4 邊界條件的模擬對橋梁施工監(jiān)控的影響

作為施工監(jiān)控前的準(zhǔn)備工作，在進(jìn)行施工監(jiān)控的時候必須要準(zhǔn)確的模擬結(jié)構(gòu)在各個施工階段的受力及邊界條件，結(jié)構(gòu)的受力一般比較明朗，對于懸臂施工的連續(xù)梁橋來說，掛籃的前移和掛籃的位置及重量比較重要，但是在有限元模擬過程中大家最容易忽略的是結(jié)構(gòu)的邊界條件的模擬，本文通過對蘇北大橋主橋結(jié)構(gòu)整個施工過程的研究分析，特別是對結(jié)構(gòu)邊界條件的探究，準(zhǔn)確的提供了結(jié)構(gòu)在各個施工工況下各個控制界面的應(yīng)力、撓度變形的控制情況。橋梁撓度控制主要依靠建立梁頂標(biāo)高控制網(wǎng)和梁底立模標(biāo)高控制網(wǎng)，通過對上述兩組數(shù)據(jù)的控制，整座大橋的成橋線形滿足誤差范圍(±50mm)，并且大橋的合龍精度較高在2cm之內(nèi)，滿足規(guī)范的要求。對于整座大橋的應(yīng)力監(jiān)控，監(jiān)控的結(jié)果基本和理論值相吻合，并且變化趨勢保持一致，應(yīng)力監(jiān)測的誤差也在規(guī)范允許范圍內(nèi)。由此我們可以推斷結(jié)構(gòu)的邊界條件的模擬準(zhǔn)確使用，能夠較準(zhǔn)確的指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控

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