基于子模型法的桥梁支座矫正施工

[摘 要]以某特大桥工程支座矫正施工为背景,在对大桥整体结构进行顶升分析的基础上,运用子模型法计算了该该桥在顶升过程中关键部位强制位移下的顶升力与应力.与实测数据的对比表明：子模型法计算结果准确可靠,能够较真实的反映大桥在顶升过程中的受力状态,是分析桥梁支座矫正施工中结构应力水平及分布的有效方法.

[关 键 词]支座矫正子模型法有限元应力分析

[中图分类号]U445[文献码]B[文章编号]1000-405X（2013）-12-238-1

为了直接得到桥梁支座矫正施工过程中结构局部应力的精确解,可以在大桥整体模型中对整个桥梁进行精细模拟[1][2],但该方法对计算机的性能要求很高,且由于模型太大,增加了计算机发生意外的概率.子模型法只对结构关键区域进行精细模拟和分析,因此避免了这一缺点.已有研究表明[3],子模型技术是分析大型复杂结构局部应力的有效手段.但总体而言,子模型技术在实际土木工程中的应用尚处于起步阶段.随着结构设计的日趋大型化和复杂化[4],子模型法必将在大型复杂工程领域中得到更加广泛的应用.因此本文对子模型技术在大跨桥梁支座矫正施工的应用进行深入研究,具有重要意义.

1工程概况

某特大桥桥梁全长177.5m,计算跨度为48+80+48m,梁体为单箱单室、变高度、变截面结构.箱梁顶宽12m,底宽为6.7m,桥梁建筑总宽12.28m.顶板厚度除梁端附近外均为40cm,底板厚度40至100cm,按直线线性变化,腹板厚48至60、60至90cm,按折线变化.全联在端支点、中跨中及中支点处共设五个横隔板,横隔板设有孔洞.连续梁中支点梁高6.65m,跨中9m直线段及边跨13.25m直线段梁高均为3.85m,梁底下缘按二次抛物线变化,边支座中心线至梁端0.75m.某特大桥304#墩左侧支座设计为多向活动支座,由于施工过程中未控制好,造成支座上座板发生倾斜,支座上座板大里程侧比小里程侧高3.5cm,水平超出规范要求.经现场会勘研究,确定了采用工字钢作临时支撑,垫石凿除后将支座从梁底移出,将小里程侧1/2支座上座板处的梁底凿0～1.8cm后再将支座安装固定好重新浇筑垫石砼的处理方案.对于此方案显然有必要对其矫正过程支座局部应力进行分析和强度复核.本文采用子模型法,以ANSYS为分析平台对某特大桥工程支座顶升过程中支座的局部应力进行了分析,现场测试结果表明了该方法的准确性、有效性和可靠性.

2结构有限元分析[5-7]

2.1整体有限元模型

为了给子模型提供准确的边界条件,基于有限元软件ANSYS建立了该桥的空间实体有限元计算模型,桥梁混凝土结构部分采用实体单元进行模拟,预应力钢筋采用杆单元模拟.如图1所示.模拟桥梁的实体单元以4m为网格尺寸,这样的应力计算结果精度显然得不到保证,但继续细化又导致单元数量过多,因此需要采用子模型法进行计算.取顶升过程桥梁y方向主应力结果如图2所示.

2.20#块精细有限元模型

在建立子模型时,按照布局结构实际尺寸建立,包括下部支座.为了保持子模型与其在实际顶升过程中受力一致,较真实地反映结构受力特点,应对子模型的边界条件施加位移约束.具体步骤是：先将整体三维有限元模型在各种工况（自重、二期恒载和千斤顶顶升荷载）作用下,选取6种工况进行静力分析.边界条件由整体模型相应位置的节点位移（整体分析结果）插值施加到局部模型,相当于在子模型的边界节点上施加六个被动位移（三个线位移和三个角位移）,在模型中要保留有作用其上的荷载.

2.3子模型计算结果分析

支座发生强制位移工况下测点实测顶升力与理论计算顶升力吻合程度良好,这表明本文所应用的子模型计算方法能够较好地反映桥梁结构顶升过程的实际受力,理论计算结果可以用于桥梁结构实际支座顶升过程中.同时从表中还可以看出：理论计算值普遍较实测值偏大,这主要是由于计算时未考虑竖向预应力钢筋及横向预应力筋的作用,从而造成了理论计算结果偏大.各工况下该子模型的计算结果与实测结果的能较好的吻合,该子模型即可用于顶升过程中桥梁支座局部应力分析,各工况下应力计算结果亦可做为桥梁结构在各工况下的实际应力.通过上述计算结果,可以看出：梁体顶部顺桥向出现较大拉应力,为安全起见,建议增加支撑垫板（5cm厚钢板）可以有效消除梁体底部应力集中,在施工过程中一定要保证钢板与梁体密贴.

3结论

本文采用子模型法对某特大桥工程支座矫正施工过程进行了数值分析,并与实测结果进行对比分析,其分析结果为某特大桥支座矫正施工提供了科学依据.分析结果同时表明子模型法是分析大跨结构局部结构的一种很有效的方法,并且可以灵活地对重要分析部位进行细致分析,可以真实模拟结构实际受力状态.该方法具有较高的精度,能准确、细致地计算荷载作用下大跨桥梁结构细部的位移及应力响应.