摘 要 结合宜万线铁路上一座大跨径劲性骨架混凝土拱桥 ,介绍了空间有限元精确模拟劲性骨 架混凝土拱桥施工过程的方法。采用大型通用工程软件对该桥施工过程进行模拟 ,并对施工过程中的 受力进行分析 ,进而对结构安全性作出评估 ,为类似拱桥的设计提供依据。 关键词 钢管混凝土劲性骨架 上承式拱桥 施工过程分析 有限元法 中图分类号 : U445 文献标识码 : B 图 1 桥梁结构总布置 (单位 : cm ) 近十几年来 ,劲性骨架混凝土拱桥在我国发展迅 速 ,它是利用型钢、钢管或钢管混凝土作劲性骨架 ,然 后在其基础上搭建模板分段分层浇筑混凝土 ,形成的 劲性骨架混凝土拱桥。这种桥型充分发挥了各自材料 的特长 ,克服了大跨拱桥的施工困难 ,跨越能力很大。 在基础较好的峡谷地区 ,实现一跨过谷 ,具有不可比拟 的优势。拱肋的形成要经过一系列体系转换 ,其受力 非常复杂 ,往往控制设计。本文以宜万线铁路上某桥 为例 ,应用大型有限元软件 ANSYS做空间有限元精细 模拟 ,进而对结构安全性作出综合评价 ,为类似拱桥的 设计提供依据。 1 工程概况 该大桥位于直线上 ,桥上纵坡为 17. 7‰,为 Ⅰ级 双线铁路 (预留复线 ) ,线间距 ,主桥一次双线 , 是一座 2 跨峡谷的上承式劲性钢管混凝土骨架 钢筋混凝土拱桥 (见图 )。拱肋为劲性骨架钢筋混凝95 考虑施工过程的大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥受力分析:王 锋 王平利 : 2009 12 09 : 1980 2008 4. 2 m 1 178 m 1
©土箱型 ,拱脚有 3 m长实心段 ,两片分离拱肋采用提篮 式布置 ,倾角为 51057°,拱顶内倾 315 m。拱立面内矢 高为 39155m,拱肋轴线为悬链线 ,拱轴系数 m =21814 m。拱上立柱为双柱墩 ,在拱肋立柱及拱顶设横撑。 拱顶 4715 m长的一段做成框架 ,每隔 915 m设一道断 缝 ,两侧各采用 1联 5 ×14 m连续梁。 2 施工顺序 本桥施工的顺序为: ①拱肋的施工; ②拱上立柱的 施工; ③拱上框架的施工; ④脚手架上施工桥面纵梁。 其中 ,拱肋的施工步骤又分为 :先用缆索吊装施工钢管 骨架 ,然后灌注管内混凝土 ,待混凝土达到设计强度后 再分环灌注外包混凝土。按结构性质 ,拱肋将经历三 种状态 [ 7 ] 。 (1)劲性骨架状态 :在泵送管内混凝土时 ,承重结 构只有钢结构 ,而混凝土只作为荷载 ,不计抗力。当混 凝土达到强度要求时 ,钢管和混凝土共同工作 ,成为刚 管混凝土劲性骨架。 (2)劲性骨架的一部分被混凝土包裹的状态:当 混凝土还未硬凝时 ,混凝土只计重量 ,不计抗力。但当 混凝土硬凝后 ,由于混凝土的截面比骨架杆件的截面 大得多 ,结构受力主要靠混凝土 ,而骨架杆件的作用就 变得次要。 (3)成拱状态 (拱肋三环混凝土浇注完成 ) :劲性 骨架则逐步成为拱圈截面混凝土的永久性配筋。 3 计算模型 本文采用大型通用软件 ANSYS的“单元生死技 术 ”[ 1 - 2 ]模拟本桥的施工过程 ,其优点是只需进行一 次分析模型的建立 ,即在分析前一次性将成桥状态的 全桥分析模型建立好 ,然后根据各个阶段的施工状况 , 通过激活或杀死单元以及设置相应的荷载步来模拟桥 梁施工全过程。在分析过程中 ,可以通过局部处理将 各个施工工况的单元内力和结点位移随时保存 ,供下 一施工阶段使用。 311 单元类型的选择 目前在大部分通用有限元程序中 ,可以用于模拟 钢管混凝土劲性骨架拱桥的单元类型有若干种。不同 种类单元 ,在计算精度、构建模型的难易程度和计算量 大小等诸方面存在较大差异。因此 ,如何针对钢管混 凝土劲性骨架拱桥施工过程中各部位受力特点选择相 应的单元类型是结构分析的关键。 本文主要基于以下原则来选择单元 ①选取的单 元必须能最大程度地模拟结构的受力特性; ②必须保证计算结果具有足够的精度; ③有限元模型建立要尽量简便 ,计算工作量要尽 量小 ,进行结果处理时也要比较方便。因此 ,在该大桥 施工过程的受力分析中共用到了 ANSYS软件中的 4 种单元类型 [ 2～6 ]。 ①空间曲梁单元 ( beaml89) :主要模拟桁架拱肋 的空钢管以及混凝土灌注后钢管内的混凝土。 ②空间直梁单元 ( beam188) :模拟钢管桁架内的 所有弦杆 ,拱肋间的横撑以及拱上立柱。 ③壳单元 ( she ll63) :模拟桥面纵梁以及拱顶框架。 ④8结点的块体单元 ( solid65) :模拟拱肋钢骨架 的外包混凝土。 312 有限元模型 在有限元建模过程中 ,把钢管混凝土看成钢管与 混凝土的组合[ 6 ] ,生成共节点的两个单元 ,各自的材

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