小溪沟特大桥施工、运营有限元分析.pdf

第2期 ( 总第 1 7 6期) 2 0 0 9年 4月 2 0 日 华 东 公 路 eas t chi na hi ghw ay n o 2 ( t o t a l n o 1 7 6 ) ap r i l 2 0 09 文章编号：1 0 0 1 7 2 9 1( 2 0 0 9 )0 2 0 0 1 8 0 4 文献标识码 ：b 小溪沟特大桥施 工、运营有 限元分析 王金勇 ，张伟 ( 1 青海省岩土工程勘察院，青海西宁8 1 0 0 0 8 ；2 中科科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程 国家重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 1 ) 摘要 ：线路 中的桥涵工程安全与否直接关 系到整个项 目的安全。以翻坝高速公路 小溪沟特大 桥为例 ，采用有限元数值模拟方法对 t型梁在 吊装过程 中的安全进行 受力分析 ，对桥 梁建成后 ， 运营通车过程 中在恒载、车辆荷载及组合荷载作用下的受力进行分析 ，验证 了小溪沟特大桥在施 工运 营过 程 中的安 全性 。 关键词：t型梁；有限元 ；施工；运营 桥梁施工阶段是保证桥梁安全 的重要阶段 ，施工 质量的好坏不仅影响到施工时的安全，还会影响到建 成后桥梁工作的状态 ，施工阶段是承上启下的关键环 节 ，施工阶段的安全性是桥梁安全的重中之重。施工 阶段的桥涵安全性主要包括施工时桥梁上部结构 的位 移响应、应力变化 、动力特性及基础的施工安全。运 营阶段主要是从线路建成后开始通车开始的 ，在此阶 段桥梁的安全主要是在各种承载力作用下 ，各构件能 否满足要求。采用有限元方法以翻坝高速公路小溪沟 特大桥为例来分析其施工运营过程中的受力情况。得 出施工、运营中的安全性。 1 工程概 况 1 1工程 规模 小溪沟特大桥在 k 2 2+2 0 0k 2 4+2 9 0 ，长度 2 0 9 0 m，按该段落 的地形条件 ，地质条件 ，应该全 部为桥梁通过 ，但两端为鸡公岭隧道 、天鹅岭隧道 ， 其弃碴没有消化 ，而建弃碴场没有位置。采用部分桥 梁 、部分路基通过 ，消化部分隧道的弃碴。该段为分 幅路基 ，桥梁长度 、路基长度按分幅路基长度统计。 分离式路基右线全部采用桥梁通过 ，为 6 7 x 3 0 m预 应力混凝土连续 t梁刚构 ，桥梁长度为 2 0 1 9 m。左 线分三部分采用桥梁通过，为 4 2 x 3 0 m预应力混凝 土连续 t梁刚构，桥梁长度 为 1 2 8 9 5 m，桥梁总长 度为 3 3 0 8 5 m，路基长度为 9 1 0 m。填方数量约为 收稿 日期 ：2 0 0 8 - 0 9 - 2 5 修回 日期 ：2 0 0 8 1 2 - 3 1 6 0万方左右 ，可消化两座隧道的一半弃碴。 1 2 地质条件 小溪沟特大桥桥址 区属构造侵蚀溶蚀低 山地貌 区，k 2 2+ 3 0 0k 2 4+ 2 0 0段分布崩塌堆积体即小溪 沟岸坡坡脚 ，地形呈深切 “ v”行谷地貌，岩崩堆积 体上方为寒武系中统覃家庙组 白云岩、灰岩，形成高 大 的陡崖 ，其上发育多组近垂直的节理 ，其 中有一组 与沟谷走 向近平行 ，由于重力卸荷作用而张裂 ，贯通 性好 ，陡壁易沿该裂隙崩塌。路线顺沟谷展布。有村 道通行。 桥址 区地层 主要 由寒武 系 中统覃 家 庙组 ( 2 q n )白云岩 、灰岩等组成 ，夹页岩 ，属硬质 岩类 ， 岩层产状 1 3 0 。 1 2 。 ，局部溶蚀 现象较发育 ，力学强 度较不均匀 ，工程地质条件一般 。 桥址区主要有地表水和地下水。地表水主要为冲 沟内汇集的大气 降水 ，水量大小受季节性 降水影响。 地下水主要为赋存于第四系土层 中的孑 l 隙水及下伏基 岩 中的裂隙水 、溶隙溶洞水，接受大气降水及地表水 入渗和相同层位含水岩组侧向径流的补给，向低洼地 段排泄，水位动态随季节、气候及地势而变化，总体 而言水量较丰富。据试验资料 ，地表水 、地下水对混 凝土无腐蚀性。 2 施工过程计算模拟 2 1 软件 介绍 2 0 0 9年第 2期 王金勇，张伟 ：小溪沟特大桥施工、运营有限元分析 一 l 9一 s a p 2 0 0 0是 美 国 c s i( c o m p u t e r& s t r u c t u r e s ， i n c )的产品，属结构有限元通用分 析软件 ，可在桥 梁、大坝 、体育场馆 、工业结构 、房屋建筑等土木工 程中使用。s a p 2 0 0 0已经被证实是最具集成化 、高效 率和实用的通用结构软件。先进 的分析技术提供 了： 逐步大变形分析、多重 pd e l t a效应 、特征 向量 和 r i t z 向量分析、索分析 、单拉和单压分 析、b u c k l i n g 屈曲分析、爆炸分析 ，针对阻尼器 、基础隔震和支撑 塑性 的快速非线性分析 ，用能量方法进行侧移控制和 分段施工分 析等。桥梁设计者可 以使 用 s a p 2 0 0 0的 桥梁模块建立桥梁模型 ，自动进行桥梁活荷载的分析 和设计 ，进行桥梁基础隔震和桥梁施工顺序分析 ，进 行大变形悬索桥分析和 p u s h o v e r 倒推分析。 2 2 计算模型及参数 主梁在工 厂或制梁厂制作 时，一般是先 帮扎钢 筋 、立模板 ，然后是浇筑混凝土，等到混凝土强度达 到要求后 ，再张拉预应力筋 。然后运至施工现场 ，进 行吊装 、装配。在此过程中，吊装是 比较重要的一个 环节 ，也是最容易发生事故的环节。因此计算主梁在 吊装过程中的受力 、变形情况对判断桥梁施工安全有 着重要意义。 选取小溪沟特大桥标准化跨径 ( 3 0 m)t型梁进 行计算。吊装 t型梁时 ，由于不 可能完 全保持匀速 吊起 ，因此在起吊的过程中，要有一个惯性力 ，安全 期间，我们考虑重力加速度 为 1 2 g 。在 吊装 时考虑 最危险情况 ，即吊装点在梁的两端 ，这样就是使梁 中 的弯矩达到最大，梁 中应力达到最大。 在建立模型的过程中，各项参数取值为 ：混凝土 为 c 5 0 ，弹 性 模 量 为 3 5 1 0 mp a ，容 重 为 2 6 5 k n m。预应力筋为 l 5 2 4 mm，张拉为两端 张拉 ，由于梁体在制作完成到被 吊装到位 ，时间不会 太长 ，就没有考虑混凝土的收缩徐变 ，也没有考虑预 应力筋的应力损失 。建立的模型如图 1 所示 。 图 1 t型梁计算模型示意图 2 3 计算结果分析 针对上述计算模型和材料参数，采用 s a p 2 0 0 0对 t型梁 的吊装进行数值模拟 ，计算结 果如图 2 、图 3 所示 。 图 2 t型梁 吊装过程 的位移示 意图 图 3 t型梁 吊装过程 中的纵 向应力示意 图 由图 2可 知 ，吊装 过程 中梁 中的最 大位 移 为 4 3 m m，根据桥规要求 ，上部结构跨 中的最大挠度 ， 不应超过 l = _5 0 o mm 4 3 mm ， 即满足要求。 由图 3可知 ，梁 体跨 中 的拉应力 为 4 0 5 mp a ， 远远 小 于钢 筋 的抗 拉强 度 ，因 而不 会对 结 构造 成 影响。 3 运营计算模拟 3 1 计算模型及参数 桥梁建成通车后 ，主要 的荷载类 型有永久荷载、 可变荷载和偶然荷载 。永久荷载包括结构物 自重 、桥 面铺装及附属设备的重量、作用于结构上的土重及土 一 2 0一 华 东 公 路 2 0 0 9年第 2期 侧压力、基础变位的影响力、水浮力 、长期作用于结 构上的人工预施力以及混凝土收缩和徐变的影响力。 结构物的自 重和桥面铺装的重量， 按实际体积乘 以材料的容重计算 。按照 公路桥涵设计通用规范 ( j t g d 6 0 -2 0 0 4 ) 的规定 ，钢筋混凝土或预应力 混 凝土重力密度取 2 5 , 0 k n m 2 6 0 k n m ，沥青混 凝土重力密度 为 2 3 0 k n m 2 4 0 k n m ，沥青 碎 石重力密度 2 2 0 k n m 。初步设计 中，桥面铺装 采 用两层沥青混凝土结构 ，分别 为 ：上面层选用 s ma 一 1 3沥青混凝土，厚度 4 c m；下面层选用 a c一 2 0 c 中粒式沥青 ( 改性 )沥青 ，厚度 6 e m。 计算得到桥面铺装荷载 ： g 3= ( 0 0 4 2 4 01 1 2 5+0 0 62 2 0 1 1 2 5、 =5 3 k n m c 5 o混凝土的容重为 2 6 5 k n m ，弹性模量为 3 51 0 m p a 。预应力筋是 1 5 2 mm，抗拉强度标 准值 ：1 8 6 0 mp a ，张拉控制应力 = 0 7 5 ， 单股张拉控制力为 1 9 3 9 k n，钢束张拉时两端均匀、 对称张拉 ，采用张拉力和引伸量双控。每片主梁共有 三根预应力筋束。小溪沟特大桥为连续预应力梁桥， 四跨或五跨为一联 ，全桥共七联 ，本报告选择五跨一 联作为力学计算模 型，该联位 于平 曲线半 径 r：8 0 0 的地段。建立的计算 模型如图 4所示 ，模型 中的预 应力筋布置 情况如 图 5所示 ，在实 际运营过程 中， 车道 的分布如图 4所示。 图 4 桥梁计算模型示意图 3 2 计算结果分析 针对上述计算模型和材料参数，采用 s a p 2 0 0 0 对小溪沟特大桥运营过程中的受力进行数值模拟，计 算结果如图 6图 1 0所示。 图 5 计算模 型中预应 力筋布置示意图 图6 计算桥梁模型的车道分布示意图 图 7 恒载作用 下梁体应 力分布示意图 图 8 车辆荷载作用下桥梁的受力示意 图 2 0 0 9年第2期 王金 勇，张伟 ：小溪沟特大桥施工、运营有限元分析 一 2 l一 图 9 组合荷载作用下桥梁受力示意 图 图 1 0 组合荷载作用下桥梁所受纵向应力示意图 运营阶段 ，对桥梁建成投入运营后的受力情况进 行分析 ，考虑 了桥 面铺装荷 载和实际运 营中车辆荷 载 ，按照 公路桥涵 设计通用 规范 ( j t g d 6 0 2 0 0 4 ) ，计算荷载为车道一 i 级 ，桥梁混凝土的收缩 徐变按 c e bf i p规范计算。通过对 一联 的受 力分 析，证明了在运营过程中 ，桥梁受力情况 良好 ，桥梁 结构受力不会超出正常使用极限状态和极限承载能力 的限制。 4结语 通过对小溪 沟特大桥施工阶段 t型梁 吊装及 运 营阶段的有限元数值计算 ，吊装过程 中上部结构跨中 的最大挠度及梁体跨中的拉应力远低于桥梁规范的要 求及钢筋的抗 拉强度 ，因而 t型梁的 吊装不会对结 构构造产生影响。对小溪沟特大桥建成投人运营后的 受力情况进行分析 ，在运营过程中 ，桥梁受力情况良 好，不会超出正常的使用极限状态和极限承载能力。 参考文献 1 李 国平 预应力混凝土结构设 计原理 m北京 ：人 民交通 出 版社