頂推施工中支座脫空對混凝土箱梁受力性能的影響分析

羅澤輝，李沖杰

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都　610031；2.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明　650200)

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頂推施工中支座脫空對混凝土箱梁受力性能的影響分析

羅澤輝1，李沖杰2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031；2.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明650200)

摘要：在頂推施工過程中，由于滑道高程控制不精確、施工管理不當(dāng)?shù)纫蛩貢?dǎo)致支座脫空，從而導(dǎo)致支反力的重分布，某些支座支反力必然增加，在支撐位置附近局部應(yīng)力會比較突出，所以有必要研究支座脫空對混凝土箱梁受力性能的影響。結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋頂推施工實(shí)例，通過建立三維有限元實(shí)體模型，選取某工況下的支座發(fā)生脫空進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明：支座脫空對支座支反力及箱梁的局部應(yīng)力影響比較大，減小了頂板受拉和底板的受壓安全儲備，梁體下?lián)衔灰圃龃?，增加了摩阻力，?yīng)在施工過程中嚴(yán)密監(jiān)控支座，避免發(fā)生支座脫空。

關(guān)鍵詞：混凝土箱梁；頂推施工；支座脫空；受力性能

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的快速發(fā)展，新的施工技術(shù)和方法廣泛應(yīng)用到橋梁建設(shè)中來，頂推施工方法就是橋梁建設(shè)中常用的施工方法之一[1-5]。頂推施工過程中，結(jié)構(gòu)體系不斷發(fā)生變化，主梁各截面要反復(fù)經(jīng)歷正負(fù)彎矩的變化，對施工控制的要求較高[6，8]。但由于滑道高程控制不精確、施工管理不當(dāng)?shù)纫蛩赜锌赡軐?dǎo)致支座脫空，從而導(dǎo)致支反力的重分布，某些支座支反力必然增加，在支撐位置附近局部應(yīng)力會比較突出。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)沒有對此類問題展開詳細(xì)研究，所以有必要研究支座脫空對PC箱梁受力特性的影響。結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋頂推施工實(shí)例，通過建立三維有限元實(shí)體模型，選取某工況下的支座發(fā)生脫空進(jìn)行分析。

1支座脫空的原因及后果

1.1支座脫空的原因

頂推施工中發(fā)生支座脫空的原因有以下幾方面：(1)與梁底板接觸的支座高程不準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)中考慮不周，或者樁的施工質(zhì)量有差異，導(dǎo)致各樁的沉降量有差異，進(jìn)而引起支座高程的變化；(2)梁底板不平順，在澆筑梁體時(shí)，由于施工控制質(zhì)量不嚴(yán)或模板粗糙等原因造成底板不平整，梁節(jié)段拼接不平順，致使梁底部不能與支座密切貼合在同一水平面；(3)在頂推施工過程中，操作人員操作不當(dāng)，如填喂滑塊的厚度未按要求、拖拉不同步造成的支座脫空；(4)還有臨時(shí)支撐和滑道的施工控制質(zhì)量的好壞同樣會造成支座脫空[9-11]。

1.2帶來的后果

支座起到將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)。如果支座有所變化，使橋梁結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生變化，將對上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而會影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。支座脫空，必然造成某些支座的支反力增加，造成梁體局部應(yīng)力偏大，甚至產(chǎn)生屈曲和裂縫，使結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)；支反力過大，也有可能造成臨時(shí)滑道發(fā)生屈曲；對于下部結(jié)構(gòu)，橋墩只有一側(cè)受摩擦力，導(dǎo)致橋墩受扭，不利于頂推施工；延誤工期、增加了施工成本。

2工程概況

主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，孔徑布置為(39+60+36) m，其中主跨60 m跨既有鐵路，橋跨布置如圖1所示。箱梁結(jié)構(gòu)采用單箱三室、等高度截面，梁平均高度為3.43 m，箱梁頂面設(shè)2%的橫坡，截面中心處梁高3.56 m，1/2箱梁橫截面見圖2。該橋采用頂推法施工，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁長80 m，懸臂鋼導(dǎo)梁長36 m，頂推距離為102 m，最大頂推跨徑為54 m。其上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量達(dá)5 600多t，本次頂推施工利用6臺5 000 kN頂力的千斤頂，最終實(shí)現(xiàn)PC箱梁橫跨既有鐵路線。

圖1　橋跨總體布置(單位：cm)

圖2　1/2箱梁橫截面(單位：cm)

3三維有限元實(shí)體模型的建立

由于有限元桿單元無法模擬，所以須建立三維有限元實(shí)體模型，ANSYS是進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析的有效工具，它有著大量的單元可供選擇，并具有非常完備強(qiáng)大的前處理和后處理功能，可用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析[12]。

3.1單元材料特性

因?yàn)榛炷吝B續(xù)箱梁其受力比較復(fù)雜，因此為了比較精確和真實(shí)地反映混凝土箱梁的局部應(yīng)力，對跨既有鐵路橋頂推施工應(yīng)力的分析選用 ANSYS[13，14]建立空間有限元模型。建模單元選擇：(1)空間實(shí)體單元 Solid45：模擬混凝土箱梁；(2)空間桿單元 Link8：模擬預(yù)應(yīng)力筋；(3)殼單元Shell63：模擬導(dǎo)梁。3種計(jì)算模型材料特性見表1。

表1　計(jì)算模型材料特性

3.2預(yù)應(yīng)力筋的模擬

在ANSYS中，常用的PC梁分析方法有等效荷載法和實(shí)體力筋法，對于復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力混凝土模型，通常選用實(shí)體力筋法，實(shí)體力筋法建模有實(shí)體分割法、節(jié)點(diǎn)耦合法和約束方程法。約束方程法的基本思路是分別建立混凝土梁和預(yù)應(yīng)力筋，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不同的是約束方程法是混凝土單元節(jié)點(diǎn)和預(yù)應(yīng)力筋單元節(jié)點(diǎn)之間建立約束方程，只需選擇預(yù)應(yīng)力筋上的節(jié)點(diǎn)，用命令自動(dòng)選擇附近混凝土單元上的數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置在容差范圍，在該范圍內(nèi)與預(yù)應(yīng)力筋的一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立約束方程，因?yàn)榛炷羻卧?jié)點(diǎn)較多，所以就有多組約束方程，通過約束方程將預(yù)應(yīng)力筋單元和混凝土單元連接為整體。對比節(jié)點(diǎn)耦合法，約束方程法建模更為簡單、更符合實(shí)際情況、計(jì)算效率也更高和計(jì)算結(jié)果也更為精確。本橋的預(yù)應(yīng)力筋模型采用約束方程法，預(yù)應(yīng)力筋模型見圖3。

圖3　預(yù)應(yīng)力筋單元

3.3導(dǎo)梁與混凝土梁的連接方法

頂推施工鋼導(dǎo)梁采用板殼單元，混凝土梁采用3D實(shí)體單元。板殼單元與3D實(shí)體單元用節(jié)點(diǎn)建模時(shí)可認(rèn)為其連接是鉸接，而做剛性連接的處理可通過約束方程或者采用創(chuàng)建剛性區(qū)自動(dòng)建立約束方程來實(shí)現(xiàn)。采用約束方程法來實(shí)現(xiàn)，它是在界面上自動(dòng)生成約束方程，將兩個(gè)具有不同網(wǎng)格的區(qū)域通過約束方程聯(lián)系起來，即通過所選擇某個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)與另外區(qū)域的所選擇的單元建立約束方程。節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)格密度大的區(qū)域(混凝土單元)選擇，而單元?jiǎng)t從網(wǎng)格密度小的區(qū)域(預(yù)應(yīng)力筋單元)選擇，混凝土節(jié)點(diǎn)的自由度用預(yù)應(yīng)力筋單元節(jié)點(diǎn)的自由度內(nèi)插建立約束方程，內(nèi)插方法采用預(yù)應(yīng)力筋單元的形函數(shù)。三維實(shí)體有限元模型見圖4，其中X方向?yàn)闄M橋向，Y方向?yàn)樨Q橋向，Z方向?yàn)榭v橋向。

圖4　空間有限元模型

4計(jì)算結(jié)果分析

4.1支座脫空對支反力的影響

在頂推過程中，發(fā)現(xiàn)某些支座有脫空現(xiàn)象，每個(gè)橋墩上有兩個(gè)支座，用梁單元無法準(zhǔn)確模擬支座脫空，只有建立在實(shí)體模型下，才能準(zhǔn)確模擬支座脫空對頂推施工的影響。研究箱梁頂推37 m時(shí)(圖5)，3號臨時(shí)墩上右側(cè)支座發(fā)生脫空，設(shè)無支座脫空為工況1，發(fā)生支座脫空為工況2，支反力變化結(jié)果如表2所示。施工由于臨時(shí)墩與永久墩之間跨度小，且臨時(shí)墩與永久墩之間用鋼桁架相連，增加了穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果不考慮臨時(shí)墩與永久墩之間的剛度差帶來的影響。

表2　兩種工況下的支反力　kN

注:每個(gè)墩上放置2個(gè)支座，L代表左邊支座支反力，R代表右邊支座支反力

圖5　頂推立面布置(單位：cm)

由表2可知：工況1與工況2對比分析，支座脫空對支反力有較大影響，7號永久墩的左側(cè)支座支反力增加了167%，右側(cè)也出現(xiàn)了支座脫空現(xiàn)象。

4.2支座脫空對箱梁局部應(yīng)力影響

由表2可知，支座脫空對支反力的影響較大，為了更進(jìn)一步了解支座脫空下混凝土箱梁的應(yīng)力狀態(tài)，必須進(jìn)一步研究支座對混凝土箱梁的作用。兩種工況下的Z向正應(yīng)力如圖6、圖7所示。

圖6　工況1主梁Z向正應(yīng)力云圖

圖7　工況2主梁Z向正應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖可知，最大正應(yīng)力發(fā)生在支座附近，為研究方便，縱橋向正應(yīng)力只提取3號墩前后4 m，縱橋向的正應(yīng)力和橫橋向的正應(yīng)力對比分析結(jié)果如圖8～圖11所示，其中支座位于Z方向4 m，X方向4 m和11 m。

圖8　頂板Z方向應(yīng)力對比

圖9　頂板X方向應(yīng)力對比

圖10　底板Z方向應(yīng)力對比

圖11　底板X方向應(yīng)力對比

由圖8～圖11可知，支座脫空對箱梁局部應(yīng)力影響較大，對于頂板，工況1時(shí)Z方向最大正應(yīng)力為-0.71 MPa，X方向最大正應(yīng)力-1.49 MPa；對于發(fā)生支座脫空的工況2時(shí)Z方向最大正應(yīng)力為1.49 MPa，X方向最大正應(yīng)力0.76 MPa。對于底板，工況1時(shí)Z方向最大正應(yīng)力為-18.18 MPa，X方向最大壓應(yīng)力-8.33 MPa；對于發(fā)生支座脫空的工況2，Z方向最大正應(yīng)力為-22.33 MPa，X方向最大壓應(yīng)力-10.32 MPa。

4.3支座脫空對箱梁位移影響

位移結(jié)果提取的范圍與應(yīng)力一樣，其計(jì)算結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12　Z方向位移對比

圖13　X方向位移對比

由圖12、圖13可知，支座脫空對箱梁位移影響較大，工況1時(shí)Z方向最大負(fù)位移為-3.99 mm，X方向最大負(fù)位移-1.05 mm；對于發(fā)生支座脫空的工況2，Z方向最大負(fù)位移為-5.92 mm，X方向最大負(fù)位移為-17.33 mm。

5總結(jié)及建議

(1)支座脫空對支座支反力影響較大，支座左右支反力不同，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦力不一樣，使墩受扭，出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，造成梁體橫向偏移，形成惡性循環(huán)，所以支座脫空帶來的后果非常嚴(yán)重，在頂推施工中應(yīng)禁止出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。

(2)支座脫空對箱梁的局部應(yīng)力影響比較大，減小了頂板受拉和底板的受壓安全儲備，應(yīng)在施工過程中嚴(yán)密監(jiān)控支座，避免發(fā)生支座脫空。

(3)考慮到頂推過程支座受力不均勻的影響，在設(shè)計(jì)中需考慮增加臨時(shí)墩及梁體的安全儲備系數(shù)。

(4)支座脫空對箱梁的位移影響較大，尤其是下?lián)衔灰疲龃罅怂椒至?，不利于梁體拖行。

(5) 對于已發(fā)生支座脫空的情況，應(yīng)及時(shí)用楔形結(jié)構(gòu)進(jìn)行填塞，降低支座脫空帶來的隱患。

(6)在頂推施工中，支座脫空有可能虛接觸，要以滑塊是否滑動(dòng)作為判斷依據(jù)，當(dāng)梁體在滑動(dòng)，滑塊不動(dòng)的情況下表明已經(jīng)脫空。

(7)在頂推施工前，應(yīng)對頂推施工操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，做好技術(shù)交底，按要求進(jìn)行施工，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、反饋問題。

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Influences of Bearing Cavity on the Mechanic Performance of Concrete Box Girder during Incremental Launching

LUO Ze-hui1， LI Chong-jie2

( 1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China; 2.Kunming Survey & Design Research Institute of CREEC， Kunming 650200， China)

Abstract：During incremental launching， the inaccurate control of slide elevation and improper construction management may lead to bearing disengaging， which results in redistribution of the reaction force and inevitable increase of some support reaction， thus， local stress is obvious near the support location. So it is necessary to study the effect of the bearing disengagement on the mechanic performance of the concrete box girders. Based on the practice of incremental launching of a certain pre-stressed concrete continuous box girder bridge， a three-dimension finite element solid model is established and bearing disengagements under certain working conditions are analyzed. The results of the calculation indicate that the influence of bearing cavity on support reactions of concrete box girders and the local stress is relatively remarkable and the safety reservation of the roof and floor is reduced， and the beam displacement is enlarged and friction is increased as a consequence. Thus， bearings should be closely monitored in the construction process to avoid bearing cavity.

Key words：Concrete box girder; Incremental launching; Bearing cavity; Mechanic performance

文章編號：1004-2954(2016)05-0064-05

收稿日期：2015-10-08； 修回日期：2015-10-19

作者簡介：羅澤輝(1982—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:zhluo2006@163.com。

中圖分類號：U445.462

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.014