范例09施工階段大跨滿堂支架橋梁安全性分析

1、1. 概要本例題為大跨滿堂支架橋梁主橋與引橋連接部的詳細(xì)分析例題。通過(guò)MIDAS/FEA與Civil程序進(jìn)行實(shí)體單元詳細(xì)分析和桿系模型分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性。分析對(duì)象為3×70m三跨連續(xù)變寬箱梁，兩線連接部位的主梁截面為變寬段，僅用桿系分析是無(wú)法得到精確解的。2. 橋梁信息 2.1 橋梁幾何信息橋梁類型：三跨連續(xù)箱梁（滿堂支架施工方法）橋梁跨徑：L = 70.0+70.0+ 70.0 = 210.0 m橋梁寬度：B = 16.370m25.690 m 終點(diǎn)截面 橋梁橫斷面圖 起點(diǎn)截面(主線與引線相交處)平面圖縱斷面圖 橋梁平面圖 2.2 分析條件本橋施工順序如下圖所示，考慮收縮徐變特

2、性進(jìn)行施工階段分析。 施工順序 施工支架第一施工階段 第一跨模版安裝 / 澆筑混凝土 / 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束第二施工階段 第二跨模版安裝 / 澆筑混凝土 / 張拉預(yù)應(yīng)力第三施工階段 第三跨模版安裝 / 澆筑混凝土 / 張拉預(yù)應(yīng)力3. 模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段分析，查看施工過(guò)程中的自重、預(yù)應(yīng)力荷載等效應(yīng)以及成橋階段的二期荷載的效應(yīng)。首先在midas FEA程序中建立主梁結(jié)構(gòu)的幾何體模型，然后通過(guò)“自動(dòng)網(wǎng)格劃分”功能來(lái)生成實(shí)體網(wǎng)格單元。 幾何體模型 為了生成主梁網(wǎng)格單元建立的幾何體模型為了生成鋼束單元建立的幾何曲線3.1 分析模型(1)對(duì)全橋模型進(jìn)行實(shí)體單元建模分析，采用四面體單元建立混凝土箱梁，共劃分

3、為15萬(wàn)個(gè)左右的四面體網(wǎng)格。 (2)鋼束采用程序中的植入式單元（鋼筋單元）來(lái)建模。 建立模型 自動(dòng)網(wǎng)格劃分橫隔板細(xì)部網(wǎng)格預(yù)應(yīng)力鋼筋單元 三維透視圖 3 Curve GeomertyAuoMesh Geometry Model 二期荷載 3.2 材料及截面特性(1) 混凝土及鋼筋材料特性材料名稱E(MPa)(kN/m3)混凝土(45MPa)31,00025鋼材(鋼束)200,00078.5(2) 鋼材的材料特性材料名稱尺寸根數(shù)(EA)面積(m2)張拉荷載(tonf)鋼束 0.6 inch (15.2 mm)220.003051405.83(3) 計(jì)算鋼束預(yù)應(yīng)力損失的參數(shù) 預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的

4、摩擦系數(shù) : =0.25 (1/rad.) 管道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù) : k=0.0050 (1/m) 錨具變形 : 0.006 (m)3.3 邊界條件及荷載條件對(duì)支座尺寸范圍內(nèi)的區(qū)域按剛性連接處理后，添加約束條件。施加橋面鋪裝荷載與防撞墻二期荷載。邊界條件 3.4 梁?jiǎn)卧Ｐ?梁分析模型如下圖所示，使用MIDAS/Civil 2006程序進(jìn)行分析。 梁?jiǎn)卧Ｐ?4. 分析結(jié)果對(duì)上述兩個(gè)模型進(jìn)行四階段施工階段分析，分析中考慮時(shí)間依存材料特性。比較各施工階段的應(yīng)力分布結(jié)果，特別是要查看橋梁起點(diǎn)（主線與引線連接部）的詳細(xì)應(yīng)力分布情況。4.1 反力結(jié)果查看梁?jiǎn)卧Ｐ团c實(shí)體單元模型的反力結(jié)果。

5、每個(gè)支點(diǎn)設(shè)置三個(gè)支座，梁?jiǎn)卧Ｐ椭袨榱四M多支座，利用剛性連接與彈性連接來(lái)建模（如下圖所示）。實(shí)體單元模型的支座 橋梁邊界條件 梁?jiǎn)卧Ｐ偷闹ё聢D是在各施工階段發(fā)生的支座反力結(jié)果。對(duì)于線框架模型定義多支座時(shí)，一般采用剛臂直接連接邊界條件的方法或剛性連接與彈性連接（如本例題）建模方法，前者計(jì)算的反力大部分集中在內(nèi)側(cè)支座，后者計(jì)算的反力由三個(gè)支座均勻分擔(dān)（如下圖所示）。但如本例題詳細(xì)分析結(jié)果，反而是外側(cè)支座分擔(dān)了更多的荷載。對(duì)于此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，僅采用梁?jiǎn)卧Ｐ头治龇戳Y(jié)果是不準(zhǔn)確的，必需要進(jìn)行三維實(shí)體分析來(lái)求出精確解。實(shí)體單元反力結(jié)果(kN)線框架分析反力結(jié)果(kN)P5_FEAP5_Civil

6、2006P4_Civil 2006P4_FEAP3_Civil 2006P3_FEAP2_Civil 2006P2_FEA4.2 應(yīng)力結(jié)果梁?jiǎn)卧Ｐ偷母魇┕るA段縱向應(yīng)力分布如下圖。因?yàn)槭┘恿祟A(yù)應(yīng)力荷載，上下緣的應(yīng)力均為受壓狀態(tài)。下緣的應(yīng)力不連續(xù)的原因是預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力引起的。上緣最大壓應(yīng)力結(jié)果8.13MPa10.08MPa，下緣的最大壓應(yīng)力結(jié)果為6.74MPa9.28MPa。上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力第一施工階段梁?jiǎn)卧Ｐ透魇┕るA段應(yīng)力結(jié)果 第四施工階段上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力第二施工階段上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力第三施工階段上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力下圖是實(shí)體單元模型的各施工階段縱向應(yīng)力分布圖。上緣最大壓應(yīng)力為9.97MPa1

7、1.45MPa，下緣的最大壓應(yīng)力為10.5MPa13.4MPa。第一施工階段第二施工階段第三施工階段實(shí)體單元詳細(xì)分析各施工階段應(yīng)力結(jié)果 第四施工階段將上述兩種分析結(jié)果用圖表方式進(jìn)行比較，比較下圖所示位置的各施工階段的應(yīng)力結(jié)果。 截面應(yīng)力查看位置 從應(yīng)力比較圖中可以看出梁?jiǎn)卧Ｐ团c實(shí)體單元模型的結(jié)果差異還是非常明顯的。梁?jiǎn)卧Ｐ拖鄬?duì)實(shí)體單元模型，第一施工階段的上緣應(yīng)力結(jié)果偏大，下緣應(yīng)力偏小。支座截面上緣應(yīng)力在所有施工階段都有差異。這時(shí)因?yàn)榱簡(jiǎn)卧Ｐ椭心M的橫隔梁的作用使梁?jiǎn)卧Ｐ驮谥ё恢玫慕孛嫜貦M向應(yīng)力均勻變小，而實(shí)體單元模型在靠近懸臂翼緣外端部應(yīng)力減小率會(huì)降低。 在第一施工階段的應(yīng)力比較中看

8、出，內(nèi)側(cè)支座區(qū)域以及腹板鋼束錨固區(qū)域的應(yīng)力差異很大。P1支點(diǎn)處的實(shí)體單元的分析結(jié)果為，頂板外邊緣應(yīng)力約為-6.0 MPa，頂板中心為-2.6MPa。梁?jiǎn)卧Ｐ偷捻敯迳暇墤?yīng)力約為-3.5MPa，與實(shí)體單元的頂板中心的應(yīng)力較接近。這是因?yàn)榻孛嬗屑袅?yīng)，負(fù)彎矩對(duì)頂板外邊緣的應(yīng)力影響相對(duì)較小。 鋼束錨固點(diǎn)處的梁?jiǎn)卧Ｐ偷慕孛嫔稀⑾戮墤?yīng)力約為-2.5MPa和-6.0MPa，而實(shí)體單元分析分析結(jié)果為0.0MPa和-1.5MPa。這是因?yàn)閷?shí)體單元分析的預(yù)應(yīng)力荷載的應(yīng)力大部分集中在腹板上的原因，實(shí)體單元分析的結(jié)果更接近于真實(shí)情況。上緣應(yīng)力(MPa)下緣應(yīng)力(MPa)0.0m（P2節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)）85.0m（P2

9、節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)） 應(yīng)力結(jié)果圖 4.3 主、引橋連接部位的應(yīng)力結(jié)果主橋與引橋連接處（P2支點(diǎn)）的截面為非對(duì)稱截面，橋梁端部是由兩個(gè)平面組成的，其支座也不在一條直線上。對(duì)于此類復(fù)雜橋梁必需要使用實(shí)體單元分析才能計(jì)算出更精確的結(jié)果。 P2支點(diǎn)的反力相對(duì)于其它支點(diǎn)處的反力分配的稍微大一些，應(yīng)力也是非對(duì)稱分布的。查看截面變寬段的應(yīng)力分布情況。 連接處支座布置查看以P2支點(diǎn)起點(diǎn)，橋梁縱向變化的應(yīng)力分布圖及截面上緣的橫向應(yīng)力分布圖。0.00.5m區(qū)段因預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉，使腹板中心的壓應(yīng)力集中分布。到了1.5m7.0m區(qū)段為截面變寬段，截面左右的應(yīng)力分布是非對(duì)稱的。 查看截面上緣的橫向應(yīng)力分布圖，在變寬段的橫向應(yīng)力分布也是非均勻的，直到快接近等寬段開(kāi)始漸漸均勻分布。截面豎直方向的應(yīng)力分布圖0.0m(P2支點(diǎn)基準(zhǔn))1.0m4.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力結(jié)果查看預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力結(jié)果。下圖為實(shí)體單元詳細(xì)分析的鋼筋應(yīng)力結(jié)果。預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力情況查看線框架分析與實(shí)體單元分析的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力結(jié)果。下圖為隨時(shí)間變化的預(yù)應(yīng)力損失圖表。發(fā)現(xiàn)實(shí)體單元分析的應(yīng)力損失比線框架分析的應(yīng)