蕲河特大桥(100+196+100)m连续梁拱组合桥采用ABAQUS有限元软件建立钢管拱模型进行施工仿真模拟,根据构件受力性能不同选取合适的单元类型,考虑各部件之间实际的相互作用和约束情况,对钢管拱不同施工阶段下的受力性能进行精细化分析.分析钢管拱在不同施工过程中受力状态的关键步骤是创建精度高的有限元模拟,需要遵守以下原则:
(3)根据构件受力特点选择单元类型和种子大小,能够提高网格质量来获得较为精确的收敛解.
本文钢管拱全施工过程分为钢管拱拆架、纵移和成桥三个阶段,利用ABAQUS有限元软件分别创建施工阶段模型,对钢管拱不同施工阶段进行受力分析,了解钢管拱在不同施工阶段的受力特点.
2.1 钢管拱异位拼装施工阶段模拟
利用ABAQUS有限元创建钢管拱、支架、风撑等实体单元零部件,钢管拱拼装节段间利用绑定约束来模拟连接,拱肋与风撑采用绑定约束进行连接,与拼装支架采用耦合进行连接.临时拉索采用受拉桁架单元,与临时拱座采用约束模拟连接.
2.1.1 钢管拱拼装完成阶段
在非桥位简支梁梁面上搭设拼装支架,利用吊车吊装钢管拱节段、风撑至合龙,如图4所示.钢管拱线形和应力云图,如图5所示.
图4 钢管拱拼装完成后模型
Fig.4 Post assembly model of steel pipe arch
图5 钢管拱位移和应力云图
Fig.5 Displacement and stress cloud diagram of steel pipe arch
通过有限元软件建模分析,钢管拱拼装完成后各个测点位置位移分析值与实测值对比,如图6所示.
图6 钢管拱位移对比图
Fig.6 Comparison of displacement of steel pipe arch
由图6可知,钢管拱拼装过程有支架、临时拱座支撑,其竖、纵向位移变化幅度不大,模拟数据与实测数据基本相同.左右侧钢管拱关键截面拱顶和拱底最大主应力如表2所示.
由表2可得,钢管拱拼装合龙后,以上截面位置均位于拼装支架的周围,其拱底处于受压状态,拱顶处于受拉状态,而其余拱肋截面受力状态相反.
表2 钢管拱截面应力
Tab.2 Steel pipe arch section stress
2.1.2 钢管拱支架拆除阶段
由于支架拆除,拱肋自重会传递给临时拱座,产生较大的水平推力,使得拱肋线性偏离设计线形,所以需要安装临时拉索来平衡水平推力来保持拱肋线形.按照支架两侧向中间拆除原则,利用ABAQUS有限元软件建立钢管拱拆除支架模型,获取在钢管拱自重荷载作用下临时拉索的轴力值.采用轴向连接单元设置刚度来模拟临时拉索,其临时拉索编号如图7所示.
图7 钢管拱临时拉索编号
Fig.7 Temporary cable number for steel pipe arch
按照支架两侧向中间拆除原则,利用ABAQUS有限元软件建立钢管拱拆除支架模型,提取在钢管拱自重荷载作用下临时拉索所受的轴力值,如图8所示.
图8 钢管拱支架拆除阶段
Fig.8 Demolition stage of steel pipe arch support
支架按照从两侧向中间对称原则进行拆除,四组支架拆除的施工阶段中临时拉索索力值如表3所示.
表3 临时拉索轴力值
Tab.3 Temporary cable axial force values
由表3得知,根据施工现场临时拉索安装位置,利用ABAQUS建模计算,得到拆除支架前后临时索力所需的张拉力值.随着每组支架拆除,临时拱脚处水平推力不断增加,临时拉索索力值也不断增加.支架全部拆除后内索2、3的索力值为1 074.5 kN,与实测值一致.
将临时拉索索力实测数值加载在有限元模型上,对钢管拱进行应力和竖向位移分析,钢管拱最大应力为43.3M Pa,拱顶竖向位移为-1.66 mm,有限元应力和位移云图如图9所示.
图9 钢管拱应力云图及竖向位移
Fig.9 Stress cloud diagram and vertical displacement of steel pipe arch
通过有限元软件建模分析钢管拱张拉后各个测点位置位移分析值与实测值对比,如图 10所示.
图 10 临时拉索张拉后钢管拱竖向位移
Fig.10 Vertical displacement of steel pipe arch after temporary cable tension
由图 10可得,实测值与有限元模拟值趋势一致,说明有限元模型是可靠的.临时拉索满张后整个钢管拱处于受压状态,拱底的受压程度要比拱顶的大,均满足设计要求.
2.2 钢管拱整体纵移施工阶段模拟
钢管拱整体纵移是一个缓慢的过程,顶推过程可以近似匀速前进,其速度大概为0.5 m/min.本文分析在速度为0.5 m/min、四级风荷载、自重和临时拉索索力值1 074.4 kN共同作用下,钢管拱受力及位移情况,有限元模型如图 11所示.
图 11 钢管拱纵移模型
Fig.11 Longitudinal model of steel pipe arch
经计算,有限元应力云图和位移云图如图 12所示.钢管拱在纵移过程中拱顶应力在-4.32~11.10 MPa之间变化,拱底应力在-12.49~5.38 MPa之间变化.监测数据钢管拱在整体纵移过程中应力在-7.3~14.2 MPa之间变化.拱顶最大拉应力为11.10 MPa,发生在4/8截面处,最大压应力为4.32 MPa,发生在3/8截面处; 拱底最大拉应力为5.38 MPa,发生在3/8截面处,最大压应力为12.49 MPa,发生在1/8截面处,应力均满足设计要求.由于拱脚处有临时拉索的作用,其截面拱底位置处受压程度最大、4/8截面拱底处受压程度最小.
图 12 钢管拱应力云图及竖向位移
Fig.12 Stress cloud diagram and vertical displacement of steel pipe arch
2.3 钢管拱成桥阶段模拟
由于全桥模型过于复杂,钢管拱采用壳单元、风撑采用梁单元、吊杆采用受拉桁架单元模拟,以降低计算量和增强收敛性,连续梁节段间采用绑定约束进行连接,吊杆与钢管拱、连续梁均采用绑定约束,风撑以及预应力钢束内置于整个模型中,有限元模型如图 13所示.
图 13 成桥阶段模型
Fig.13 Bridge stage model
连续梁分析结果如图 14所示,钢管拱分析结果如图 15所示.
图 14(a)可知成桥后连续梁的应力分布及数值,由于连续梁的跨度较大,随着跨度增大,预应力锚固区两端对连续梁应力影响明显增强,产生较大的应力集中.节段梁两端截面顶板中心均处于受压状态,最大压应力为15.8 MPa,发生在0号块顶板中心,压应力从0号块向两端逐渐减小,未超过混凝土允许压应力值.图 14(b)可得,在自重、预应力、吊杆和二期荷载共同作用下,成桥阶段中跨挠度为52.15 mm,边跨挠度为16.64 m,梁体竖向挠度限制为L/1 500=130.67 mm,满足要求.
图 14 连续梁分析结果
Fig.14 Analysis results of continuous beams
图 15 钢管拱分析结果
Fig.15 Analysis results of steel pipe arch
由图 15可得,钢管拱最大应力191.5 MPa,可能由于拱肋成桥阶段,拱脚对拱肋的约束增大,导致出现了应力集中,小于容许值210 MPa,拱肋与0号块梁段连接处较为复杂,在施工过程中需要注重监测拱脚处混凝土和拱肋的受力状态.钢管拱最大竖向位移37.1 mm,满足L/3 000=65.33 mm且不大于50 mm的要求.拱顶受压程度由拱中心向拱脚减小,而拱底受压程度由拱脚向拱中心减小.