穿鋼棒法施工碼頭接岸引橋蓋梁時(shí)的局部應(yīng)力分析

◎楊文凱 王柱 湖南省航務(wù)工程有限公司

穿鋼棒法施工工藝在橋梁施工中因其高效率、穩(wěn)定性、安全性等方面的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。由于鋼材強(qiáng)度一般較高，在一般碼頭接岸引橋蓋梁施工時(shí)，鋼棒自身強(qiáng)度一般不是問題。但鋼棒與引橋墩柱預(yù)留孔之間僅為局部接觸狀態(tài)，受力較為復(fù)雜，對(duì)孔口混凝土產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致孔口混凝土容易被壓碎。故本文以國(guó)內(nèi)內(nèi)河某高樁碼頭接岸引橋蓋梁施工時(shí)采用鋼棒法為例，運(yùn)用有限元方法，對(duì)鋼棒與墩柱混凝土接觸處的局部應(yīng)力進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律并得出鋼棒直徑、墩柱混凝土強(qiáng)度、荷載大小、荷載作用位置之間的經(jīng)驗(yàn)公式，方便類似工程施工時(shí)參考。

1.計(jì)算模型及工況

計(jì)算采用Ansys有限元軟件建立實(shí)體模型進(jìn)行接觸分析，墩柱和鋼棒均采用solid185單元，接觸面通過targe170和conta174單元模擬面面接觸。為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率，墩體橫向只建出1m×1m截面，從后面計(jì)算結(jié)果能看出，該大小能滿足計(jì)算精度。整體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 整體有限元模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算時(shí)考慮現(xiàn)澆蓋梁、施工平臺(tái)、模板自重等荷載。以上述某項(xiàng)目為例，選用直徑120 mm高強(qiáng)鋼棒，墩柱直徑1.8m，鋼棒長(zhǎng)2.8m，分配到每根鋼棒兩端的荷載為156.56kN。分析不同參數(shù)對(duì)墩柱混凝土壓應(yīng)力的影響：荷載大小、鋼棒直徑、墩體厚度，分析采用單因素分析法，即每次只分析一個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響。

2.計(jì)算結(jié)果

2.1 實(shí)例計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述項(xiàng)目的參數(shù)，計(jì)算得到混凝土壓應(yīng)力極值分布如圖2所示。

圖2 墩柱壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果看出，墩柱混凝土最大壓應(yīng)力達(dá)到了-20.3Mpa，低于C40混凝土抗壓強(qiáng)度極限值?；炷翂簯?yīng)力主要集中在孔口附近，僅在很小的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較大壓應(yīng)力，往墩柱中部和下部，應(yīng)力迅速擴(kuò)散驟減。為直觀展示應(yīng)力結(jié)果，繪制孔口端部表層節(jié)點(diǎn)往墩體中部壓應(yīng)力變化曲線如圖3所示。

圖3 混凝土壓應(yīng)力極值與距孔口距離關(guān)系曲線

從圖中可以看出，在距離孔口僅175mm左右距離內(nèi)，壓應(yīng)力迅速?gòu)?20.3Mpa減小至約-4Mpa，往后壓應(yīng)力逐漸趨于0。故一般來說，墩柱厚度（直徑）并非影響鋼棒對(duì)墩柱混凝土壓應(yīng)力的關(guān)鍵因素。

2.2 規(guī)律分析

1）鋼棒直徑影響分析。采用單因素法進(jìn)行分析，保持荷載值、墩柱厚度等參數(shù)不變，每次改變鋼棒直徑大小D進(jìn)行計(jì)算，然后提取混凝土最大壓應(yīng)力值，如圖4所示。鋼棒直徑與混凝土壓應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，即鋼棒直徑越大壓應(yīng)力越小，且影響比例有減小的趨勢(shì)。

圖4 鋼棒直徑對(duì)混凝土應(yīng)力影響曲線

圖5 荷載作用點(diǎn)位置對(duì)混凝土應(yīng)力影響曲線

試算的幾種直徑鋼棒具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同直徑鋼棒下混凝土最大壓應(yīng)力

2）荷載作用位置影響分析。荷載作用在鋼棒時(shí)，傳遞到孔口除剪力外還有彎矩作用，彎矩隨距離的增大而增大。同樣采用單因素法分析，保持荷載值等其他參數(shù)不變，每次改變荷載位置，即距孔口距離ΔL進(jìn)行計(jì)算，提取混凝土最大壓應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如下：

距離孔口距離ΔL與混凝土壓應(yīng)力呈正相關(guān)，即距離越大壓應(yīng)力越大，且影響比例有減小的趨勢(shì)。

2.3 經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)

顯然壓應(yīng)力值與荷載值成正比關(guān)系，可令壓應(yīng)力極值計(jì)算公式為：

式中：P為鋼棒一端分配到的荷載值，單位N；D為鋼棒直徑，單位mm；f為壓應(yīng)力極值；a、b、c為待定系數(shù)；k為荷載增大系數(shù)，將因荷載中心作用點(diǎn)距離孔口的距離ΔL（mm）的影響值轉(zhuǎn)換為一影響系數(shù)，當(dāng)ΔL為200mm時(shí)，取1。

對(duì)于上述項(xiàng)目，k=1，P=156.56 kN，則式（2.1）可轉(zhuǎn)化為：

利用Matlab進(jìn)行二次曲線擬合，計(jì)算出a、b、c分別約為0.134、19.5、3450，擬合曲線見圖6。

圖6 式（2）擬合曲線

圖7 荷載增大系數(shù)擬合曲線

荷載增大系數(shù)k是關(guān)于ΔL的函數(shù)，根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，可得表3。

表2 不同荷載作用位置下混凝土最大應(yīng)力

表3 不同荷載作用位置下荷載增大系數(shù)

采用同樣的方法進(jìn)行二次擬合計(jì)算，得到：k=-2.714×10?L+0.0017?L+0.76。

則最終的經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中，k=-2.714×10?L+0.0017?L+0.76。

3.結(jié)論

通過計(jì)算分析得到以下結(jié)論：

（1）穿鋼棒法施工蓋梁時(shí)，對(duì)墩柱混凝土產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力值集中在預(yù)留穿棒孔口附近。

（2）為避免鋼棒對(duì)墩柱混凝土產(chǎn)生過大壓應(yīng)力而使墩柱混凝土被壓裂，在選擇鋼棒直徑大小時(shí)，可參考經(jīng)驗(yàn)公式（3）進(jìn)行估算壓應(yīng)力極值f，看是否超限。

（3）實(shí)際工程中采用鋼棒法時(shí)還可制作卸落塊緊靠墩柱表面套在鋼棒兩端配合使用，形成鋼棒牛腿結(jié)構(gòu)，以增加鋼棒的抗彎能力、穩(wěn)定性，并方便底模及臨時(shí)承重結(jié)構(gòu)拆除。