开口薄壁箱肋拱桥转体施工的理想状态模拟分析.pdfVIP

开口薄壁箱肋拱桥转体施工的理想状态模拟分析1 袁海庆， 李智 武汉理工大学土木工程与建筑学院（430070） E-mail：mylizhi0976@ 摘 要：本文结合湖北恩施州云南庄大桥的实际应用，论述了桥梁转体施工中转动体系脱架如 何应用桥梁专用有限元软件 Midas 进行理想状态模拟分析，从理论上预测出结构在每个施工过 程中的受力和变形状态，为施工控制提供了关键依据。 关键词：拱桥 转体施工 模拟 有限元 1 引言 转体施工法是山区大跨度拱桥施工的首选方法。它利用两岸有利地形，用简单支架预制拼 装的庞大桥梁结构，再以简单的设备推动整体旋转安装到位。实践证明，转体施工方法具有结 构合理、受力明确、施工设备少、工艺简便、节约施工用材、施工安全(变高空作业为岸边陆地 上作业)、速度快、造价低，且不影响通航、不中断通车等独特优点。越来越受到桥梁工程界的 青睐，有着很大的发展前景[1] 。 理想状态下施工过程模拟计算的目的在于校核主要设计计算数据，弄清施工过程结构移及 内力变化规律，搞清施工过程控制的关键，为施工过程各理想状态提供数据，以做到安全施工， 同时也给施工提供指导性建议和意见[2] 。本文就开口薄壁箱拱桥转体施工体系张拉脱架阶段的 理想状态模拟分析进行探讨,结合施工实际进行分析。所述方法经实际应用证明,方法正确使用 方便。 2 开口薄壁箱拱桥转体施工有限元计算模型 2.1 开口薄壁箱转体拱桥的实际结构 本文依托鄂西北恩施州云南庄大桥，该桥位于省道二级公路鸦来线恩施州境改扩建工程中 鹤峰县绕城段，属于有平衡重转体，结构为上承式钢筋混凝土箱肋拱桥，净跨 98m，矢跨比 1/5。 主拱圈为两条分离的等截面悬链线箱形断面拱肋结构，拱轴系数 m=3.50。为了减轻转体重量， 本桥转出的桥体是底板和侧壁厚度均为 8cm 的开口薄壁箱拱肋。转动体系包括下盘、磨心、磨 盖、上盘、背墙、拉索、开口薄壁箱肋拱肋。转动体系重 2186 吨。其外观如图 1 所示 1 本课题得到武汉理工大学、恩施州交通局横向项目(项目编号：20041h0263)资助 -1- 图 1 开口薄壁箱转体拱桥半跨结构外观 2.2 模拟方法 主要采用有限元法，通过计算机仿真计算对转动体系脱架进行了模拟分析，目的是掌握转 动体系结构在脱架阶段的状态。模拟分析中采用的参数主要根据设计意图及设计图纸文件进行。 本项目主要采用韩国专用的桥梁结构分析软件 MIDAS/Civil 进行理想状态的施工模拟分析。 拟采用 3 维空间实体模型，背墙、拱座采用 8 节点实体单元；拱肋单元根据实际情况采用 4 节 点厚板单元和空间杆系单元；拉索考虑采用索类单元，不考虑其的抗弯刚度，但通过非线性迭 代计入拉索的垂度效应。整个计算机模型精确模拟施工中的边界条件，有限元求解过程中考虑 结构的几何非线性影响[3] 。 2.3 有限元计算模型 1）有限元建模 按模拟方法所述有限元建模的基本思路，考虑到两岸转动体系的基本对 称，模型只考虑 2 号桥台岸的转动体系。整个模型分为 2074 个节点，2243 个单元，其中 8 节点 实体单元 1084 个，4 节点厚板单元 1087 个，空间梁单元 68 个，拉索单元 4 个。拱脚和拱座采 用固定连接，磨心与下盘的接触处的模拟采用刚性连接中主从节点处理的方法，并释放了节点 的转动自由度。 拉索采用只考虑拉力的索类单元，不考虑其抗弯刚度，而计入拉索的垂度效应。拉索张拉 采用施加初拉力的方法模拟[3] 。拱肋顶部的标高控制在[0,10]mm之间，以模拟拱肋脱架。 建立的云南庄大桥转动体系模型见下图 2，建立模型的计算参数见下表 1