现浇混凝土箱梁碗扣支撑体系有限元模型研究

□文/吴 冬

现浇混凝土箱梁碗扣支撑体系有限元模型研究

□文/吴 冬

文中对现浇混凝土箱梁及下部碗扣支架体系进行有限元数值模拟分析并以实际工程为例，对碗扣支架各个有代表性的部位进行实测实量，通过实测值与理论值进行比较，为合理选取箱梁及支架的有限元模型奠定基础。

有限元模型；现浇混凝土箱梁；碗扣支架

目前碗扣支架作为现浇混凝土箱梁的支撑体系应用相对较广，它由立杆、横杆、上下碗扣及限位销等组成。搭设支架前，通常只是把碗扣支架空间受力模型简化为平面模型进行计算且只对单根立杆进行受力分析，缺乏对横杆的考虑；然而实际施工时碗扣支架在承受荷载过程中为空间整体受力状态，加之上部荷载分布不均匀，因此单纯的简化为平面计算并不是很恰当。在此情况下，必须寻求合理的空间计算模型，将支架与上部待施工的混凝土构件进行有机的结合，统一建模，才能实现较为精准的分析结构。而对于有限元模型的建立，必须最大限度贴合工程实际情况，采用不同单元类型对施工过程中的各种构件进行判别，合理分析主要受力构件的受力状态并结合现场试验，最终确定贴合实际施工情况的有限元模型。

模型建立

以天津集疏港二、三线互通立交工程主线24～28现浇混凝土箱梁为建模对象，通过现场试验结果与理论数据的比确定合理的模型。梁体为单箱四室，高度为1.8m，箱梁翼缘长度为2.91m，腹板厚度均为0.5m。见图1。

为了保证地基的承载力及刚度，施工前必须进行统一处理，采用两步三七灰土夯实，每层厚度20cm，保证地基承载力达到300kPa。

上部箱梁结构及下部碗扣支架体系采用大型有限元软件进行建模分析，结构各组成部分对应的单元及参数见表1。

表1 模型各构件所采用单元类型

按照实际情况建立上部结构模型，上部结构的荷载通过节点耦合传递给脚手架支撑体系。

建立单元

将表1中的单元逐个建立，输入弹性模量、泊松比、实常数等参数。其中钢束单元指定了材料的热膨胀系数，可通过降温法实现预应力的施加；水泥混凝土指定了浇注时和强度形成时的参数，分别模拟混凝土在不同状态时结构受力的情况。

箱梁建模

按照实际尺寸建立变截面箱梁实体模型，根据对称性，建立1/2模型并将两次浇注的混凝土分别建立实体模型。见图4。

建立预应力钢束

将曲线预应力筋按实际位置建立模型，按照张拉顺序的不同定义为不同的元组，以便模拟钢束的分期张拉。见图5。

建立脚手架模型

按照桥梁施工时脚手架的布置情况建立模型，采用垂直面相互分割并辅以工作平面分割的方法，得到交线建立线形模型，这样不同方向的线相交的位置在划分单元后形成共用节点，保证了模型的有效性。见图6。

必须对立杆受力特点进行划分，建立2种模型。

（1）脚手架竖杆采用PIPE16单元，考虑其同时承受轴向压力、弯曲应力的作用；水平杆件采用LINK8单元，仅受轴力作用；斜杆采用PIPE16单元。

（2）脚手架竖杆、水平杆件均采用LINK8单元，各杆仅受轴力作用，不考虑其抗弯刚度；斜杆仍采用PIPE16单元。注意到此时结构模型属于瞬变体系，故在其侧面施加水平约束。

划分单元

实体模型建立完毕后，即可划分不同的单元。首先在实体内外表面分别划分内模板、竹胶板单元；其次采用扫略的方法对混凝土单元进行单元划分；然后划分钢束、木梁，最后划分脚手架单元。划分单元时，应注意对需要合并或自由度耦合的节点位置进行控制，使其距离不要过大。

节点合并与自由度耦合

为保证荷载合理传递，需要对相关节点进行合并或自由度耦合。合并节点为竹胶板和木梁单元公共节点的合并；耦合节点自由度为预应力钢束和混凝土节点自由度耦合以及脚手架竖杆顶端节点与木梁节点的自由度耦合。

建立约束

在模型中对应于桥梁墩台的位置施加相应的约束，在脚手架竖杆底端施加铰接约束。由于所建的模型考虑了对称性，在对称平面也施加了相应的约束。模型建立完毕之后，即可按照不同工况分别进行计算，对计算结果进行处理和分析。

脚手架模型对比分析

2种模型的应力随工况变化规律基本一致，但得到的最大应力数值存在较大差异。不考虑竖杆受弯时水平杆件最大应力略有降低，竖直杆件最大应力降低，斜杆最大应力提高。见图7和图8。

由图7和图8可以看出，竖杆轴向应力计算结果是一致的，当计算模型不考虑竖杆受弯作用时，弯曲应力转移到了斜杆上，从而使斜杆等效应力增大。

现场试验

为验证有限元模型的计算结果，在桥梁上部结构施工过程中对碗扣支架进行实时监测，与理论计算结果进行对比，以判断模型建立的合理性。为保证验证的全面性和数据的完整性，对施工全过程进行了现场监测。选取碗扣支架有代表性断面中的竖杆和相应点位，在多个不同工况下进行应力监测并记录测量时的温度。见图9。

竖杆应力监测采用便携式手持应变仪进行。监测前首先加工监测点钢片，加工完毕后焊接在测点位置，每两个钢片组成一个测点，焊接时保证两个钢片垂直对正并保证焊接牢固，不与周围的碗扣、限位销等发生冲突，两钢片间距控制在手持应变仪的量程范围内。

钢片焊接后，记录初始读数并记录读数时的气温，以初始读数作为基准值，随工程进展分工况进行读数，同时记录读数时的气温，最后将各工况的读数进行汇总和处理。

理论应力与实测应力数值比较

由于测点较多，此处列出几个主要测点的监测试验结果与理论计算结果进行比较。

24号墩柱旁箱梁中腹板下竖杆

此位置竖杆下端即测点6的实测应力与两种理论模型应力变化见图10。

24号墩柱旁箱梁底板下竖杆

此位置竖杆下端即测点3的实测应力变化见图11。

24～25 跨跨中箱梁中腹板下竖杆

此位置竖杆下端即测点18的实测应力变化见图12。

湿接头箱梁底板下竖杆

此位置竖杆下端即测点21的实测应力变化见图13。

结论

比较各测点实测应力和2种模型对应位置竖杆的计算结果，可以得出两种模型得到的内力计算结果与实际情况均能较好地吻合，对于支撑体系中最主要的受力杆件竖杆而言，内力计算都是较为准确的。这是因为竖杆考虑受弯曲应力时，弯曲应力在等效应力中的比重较低，在竖杆受力水平较低或水平杆件密度较高时，弯曲应力的作用愈加不明显。

2种模型中，竖杆考虑受弯曲应力情况的结果更接近实测情况，说明竖杆受力考虑弯曲应力时计算结果更为精确。对于竖杆仅考虑受轴力的模型，其计算结果也能满足工程要求，相对而言杆件受力明确，计算过程简单；但其缺点在于模型为保证能够计算，要求几何不变，故存在着与实际情况不一致的横向约束，从而不能分析支撑体系整体稳定的问题，使计算结果存在一定的不确定性，当应力水平较高时须注意用考虑竖杆受弯曲应力情况的模型验证。

U448.21

C

1008-3197（2010）06-36-04

2010-03-17

吴 冬/男，1978年出生，工程师，天津第三市政公路工程有限公司，从事施工技术管理工作。