大跨连续刚构桥（共8篇）
大跨连续刚构桥 篇1
1 工程概述
肇兴特大桥位于厦蓉高速贵州境水口—榕江格龙段,为跨越肇兴河及X868县道而设,桥位区位于V形沟谷处,地形起伏较大,桥面与地面最大高差约为125 m,由左、右两座分离式桥梁组成。左幅桥中心桩号ZK23+545,起点桩号ZK23+063.294,终点桩号ZK23+908.37,桥梁全长845.193 m。右幅桥中心桩号YK23+551.433,起点桩号YK23+069.986,终点桩号YK23+914.803,桥梁全长844.817 m。桥梁平面除水口岸部分引桥位于缓和曲线内外,主桥与榕江岸引桥均位于直线上,桥面纵向坡度-0.922%。上部结构采用6×40 m T梁+(83+2×150+83)m预应力连续刚构+3×40 m T梁。下部结构最大墩高113 m,主墩采用双薄壁空心墩,嵌岩群桩基础;过渡墩为矩形空心墩,桩基础。7号～9号墩承台尺寸为长24.25 m、宽21.7 m、高5.5 m,C30混凝土2 895 m3,属于大体积混凝土。桥台为重力式桥台,桩基础。主桥上部为4跨连续刚构桥,采用单箱单室箱形截面,箱梁顶宽12.75 m,底宽7.0 m;箱梁高度在各墩与箱梁相接的根部断面梁高为9.0 m,现浇合龙段梁高均为3.0 m,其余梁底下缘按1.8次抛物线变化,采用挂篮对称悬臂浇筑。设计荷载等级为公路—Ⅰ级,设计速度为100 km/h,主桥桥形布置见图1。
2 施工监控的目的和内容
对于大跨度刚构—连续组合体系桥梁,施工控制的目的就是要对大跨度桥梁的每一施工阶段进行详尽的分析、仿真模拟、结构施工反应预测和实验验证,并采用一定的方法和手段对结构变形、应力加以控制,指导施工实践,以确保设计的施工过程得以安全、准确实现。监控工作主要包括结构计算分析、挠度监测、应力监测、立模标高的确定、施工误差分析和后续施工状态预测等方面。其原则是:以箱梁底部线性控制为主、应力监测为辅。
3 测试截面及测点布置
3.1 应力测试截面及测点位置
主桥应力监控主要是确保大桥的安全施工。通过主桥结构应力监测可迅速获知主梁及桥墩受力状况的实测资料,及时分析判断并掌握主桥应力实际状态,从而控制整个结构的安全。通过对箱梁及主墩控制截面混凝土正应力的监测,可以观察施工过程中的箱梁及主墩控制截面混凝土正应力是否在设计要求范围内;观察预应力钢束张拉、锚固、恒载、结构体系转换等荷载作用下的箱梁及主墩控制截面混凝土正应力变化情况等。肇兴特大桥的应力测试截面位于7号～9号墩两侧的1号块的中间截面上,共6个截面。另外在L/8,L/4,3 L/8和合龙段(L/2)也布置一定数量应力测试点。每个截面测点的具体位置如图2所示。因此,传感元件沿纵向(桥的里程或桩号方向)布置(对主墩为竖向布置),直接对焊在主梁上(下)缘纵向钢筋上或桥墩上(下)游侧竖向钢筋上。
3.2 线形控制测点布置
墩顶主梁截面、每梁段前端都要布置位移测点;立模时测模板(一般设5个～7个测点),该梁段混凝土浇筑后测梁顶面(提前埋设钢筋头,每测试断面设3个,分别在梁断面两边缘和中点)。
4 施工监控监测
4.1 应力测试
主墩的应力在每一节段施工前后及关键工序的施工前后均进行测试。主梁悬浇施工过程中,应力测试按各工序(混凝土浇筑前后;预应力索张拉前后;挂篮前移以及温度变化等情况)进行跟踪测试。在边、中跨合龙前、后和二期恒载加载前、后,对全桥所有测点作全面复测。
1)测试周期。对于上部结构,在施工期间,每悬臂浇筑一个梁段,就进行一个循环的内力(应力、应变)监测,其中包括浇筑混凝土后,预应力钢筋张拉后挂篮移动前共两次测试。每次合龙段施工前做一次24 h的挠度观测。
2)测试时间。为了消除或减弱环境温度及气流对测试结果的影响,每次测试时间固定在大致相同的时间范围,一般宜在8:00前结束当次测试工作。
4.2 主梁线形控制
4.2.1 施工控制测量
根据施工进展情况,对主梁的施工位置进行监控。施工监控测量采用全站仪,实测各监控点的坐标。
主梁施工监控测量的目的是保证主梁施工的线形,并检查施工放样的精度。主要工作包括:主梁线形测量、主梁中线测量等内容。监控测量的实施时间应在模板钢筋安装完成后、挂篮立模标高设定时、气温较稳定的时间段内(6:00～7:00)进行。此项工作需要施工单位予以密切配合,提供相关控制点与测量资料。
4.2.2 主梁变形观测
采用水准测量方法测定,在每一节梁段悬臂施工过程中,进行以下3个工况的挠度测量和高程控制测量:1)挂篮就位立模板及浇筑混凝土前;2)浇筑箱梁混凝土后,纵向预应力钢束张拉前;3)纵向预应力钢束张拉后。具体观测应在气温较稳定的时间段内(6:00～7:00)进行。以上测量工况,除对当前施工节段监控测点进行高程测量外,同时对已施工的节段进行高程测量,以得到箱梁节段累计实际变形。施工监控过程中测量工作占有很重要的位置。这部分工作将在施工单位的配合下进行,其工作的重点是监测主梁施工的线形。监控单位根据当前测量数据计算分析后确定下一个节段前方的立模标高。
5 施工监控的目标
1)施工阶段控制目标。在施工过程中将主墩和主梁截面应力、结构线形和变位限制在规范和设计所要求的容许范围,并根据连续刚构桥施工特点,尽量控制主梁前端挂篮定位标高,以便于该主梁节段的准确施工。2)全桥控制的最终目标。全桥控制的最终目标包括主墩和主梁截面应力限制范围、理想的结构线形曲线等由设计单位通过结构优化的方法确定。本施工控制的任务是如何控制施工过程以保证设计最终目标的高精度实现。
摘要：通过对肇兴特大桥施工特点分析,结合有效的施工控制措施,介绍了大跨径刚构—连续组合体系桥梁的施工监控方法,从而保证桥梁的施工安全,并使成桥状态趋于最优。
关键词：连续刚构,施工监控,应力测试,线形控制
参考文献
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[6]范立础.预应力混凝土连续桥梁[M].北京:人民交通出版社,1999.
大跨连续刚构桥 篇2
运用大质量法,推导了长大跨度桥梁考虑多点激励和行波效应的分析模型及解析方程.结合109国道小沙湾黄河特大桥的.工程实例,对该桥地震动一致激励和考虑行波效应激励下高墩的地震时程反应作了对比分析研究.分析结果表明:行波效应对3个主墩的轴力和面内弯矩都有不同程度的削弱.其分析方法和结果对同类桥梁的设计与研究具有一定的参考价值.
作 者：王波 张海龙 武修雄 徐丰 WANG Bo ZHANG Hai-long WU Xiu-xiong XU Feng 作者单位：王波,张海龙,徐丰,WANG Bo,ZHANG Hai-long,XU Feng(华中科技大学,湖北,武汉,430074)
武修雄,WU Xiu-xiong(中交第二航务工程勘察设计院,湖北,武汉,430073)
山区大跨连续刚构桥造价探讨 篇3
作者结合某地的一座预应力钢筋混凝土连续刚构大桥项目具体分析造价编制过程, 针对造价编制过程中遇到的一些常见问题进行讨论分析, 以供各位同行参考。大跨连续刚构桥在预算编制前, 要先熟悉工艺流程和可能的施工方案, 熟悉相关定额及文件规定, 对现场条件进行详细调查研究, 掌握材料价格信息, 各项措施费率, 征地拆迁补偿政策规定, 编制的造价尽量准确, 避免造成“三超” (初步设计阶段概算超估算, 施工图设计阶段预算超概算, 施工阶段结算超预算) , 实现对造价的有效控制。
2 结构设计及预算编制
2.1 桥梁孔跨布置
该桥桥跨布置均为 (83+150+83) 米三跨一联的预应力混凝土连续刚构桥, 主墩为双薄壁墩, 开县岸设一交界墩, 开县岸设1-25米现浇箱梁引桥, 桥梁全长356米。
2.2 主桥上部结构
箱梁0号段长14米 (墩两侧各外伸2米) , 每个“T”构纵桥向对称划分17个节段。梁段长度分别为6×3米、6×4米、5×5米, 累计悬臂浇注节段总长67米。箱梁分两个“T”同时对称悬臂浇注, 共设4套挂篮。0号段采用托架施工, 1~17号节段采用挂篮悬臂浇注施工, 悬臂浇注梁段最大控制重量1672k N, 挂篮设计自重为750k N。全桥共有2个边跨合拢段及1个中跨合拢段共计3个合拢段, 每个合拢段长2米。采用先边跨, 然后合拢中跨的施工方案。
2.3 施工方案存在的难点
根据库区目前的大致泄洪和蓄水情况, 在三峡库区水位降到149米左右可开始桩基础及承台施工, 用4个月左右时间完成主墩桩基和承台施工, 在三峡蓄水位达到+175米之前, 主墩墩身顶部高程必须施工到大于175米 (吴淞) 并搭建好栈桥。根据不同洪水频率下彭溪河可能达到的最大洪水位, 主墩基础的施工必须在保证发生10年一遇洪水情况下 (洪水位152.36) , 双壁钢围堰的技术要求满足基础施工的条件, 确保主墩基础施工的安全。
2.4 预算编制具体问题分析
2.4.1 桩基施工:
深水桩基础, 可采用回旋钻施工, 搭设便桥连接桩基施工平台和施工便道。平台按承台平面尺寸每边加宽1 m~2m考虑, 钢护筒顶高出施工最高水位1.0 m~2.0 m以上, 底端埋置深度应穿过透水层到粘土层内2 m或砂性土内3 m, 再加上常水位水深度, 钢护筒长度拟采用10 m。套用桩基定额时注意桩径的套用。至于泥浆船的费用, 一般来说在采用工作平台时才考虑, 江河中大孔径钻孔桩按有泥浆船计算, 河道宽度较小时不考虑泥浆船。
2.4.2 承台的施工期间, 因为要求保持河道通航, 拟采用双壁钢
除要计算钢套箱制作安装费用外, 还应计算挖清基底, 封底混凝土, 抽水台班费用等。当承台厚度超过3 m时要考虑外加剂费用外, 还要计算冷却管费用, 按管径40 mm~60 mm壁厚4 mm的焊管, 水平间距按50 cm垂直间距按1 m考虑。
主墩下的承台是大体积混凝土结构, 施工时应采取相应的施工措施, 如设置冷却管等。因承台中桥墩预埋钢筋数量大, 而承台钢筋笼刚度不足以支撑桥墩重量, 为节省钢筋, 预埋钢筋不伸至承台底部, 可采用在承台内设置由型钢预埋钢筋支撑架, 支撑架由施工单位自行设计, 数量己经计入。施工完成后应采用原承台位置覆盖层材料回填承台侧面, 使之恢复原态, 避免大的基础冲刷发生。在做预算的时候需要充分考虑该部分的造价。
2.4.3 本桥主跨通航净高10 m, 主墩为双薄壁矩形墩, 高度50 m左右, 直接套相应定额计算即可。
根据需要可以考虑设置施工电梯和塔式起重机配合施工。按经验, 一般墩高大于40 m时需考虑提升模架、施工电梯、塔吊等辅助工程费用。水中墩柱防撞护舷, 因暂无定额套用, 在计算时可先向厂家询价, 加上相应人工费用, 按数量乘单价计算。
2.4.4 主桥现浇连续刚构上部施工:
0号块的施工, 即墩顶部分的箱梁, 长度为14 m, 通常利用在墩顶设置的托架作为支承结构完成施工, 作为后继悬臂施工的施工场地。至于混凝土浇筑定额泵送和非泵送的选择, 暂无明文规定。一般根据混凝土量、施工进度、施工环境综合考虑确定是否采用泵送。0号块施工完成后, 在0号块上安装悬浇挂篮, 向两端对称依次地分段利用专用设备 (挂篮或吊机) 悬臂浇筑或拼装预制块件。合龙段施工, 在跨中将悬臂端刚性连接或整体合龙的结构部分, 长度为2.0 m, 一般利用悬浇挂篮或吊机、临时托架上现浇合龙段。路基上轨道长度为预制场存梁区长度之和的2倍考虑, 考虑拌和堆料、加工、生活等需要, 预制场范围增加300 m, 全部场地平整, 除地座和生活区外区域进行硬化处理;桥面轨道长度按桥全长减一跨的长度考虑。
3 结论
大跨高墩曲线连续刚构桥荷载试验 篇4
后河大桥是湖北省某高速公路上一座重要桥梁。它位于分离式路幅段,左右幅各宽12.20 m。左右幅主桥均为85 m+150 m+85 m预应力曲线连续刚构桥。由于墩身较高,主桥桥墩采用钢筋混凝土双肢空心薄壁结构。设计行车速度为80 km/h,设计荷载为汽车—超20级,验算荷载为挂车—120。桥形布置图见图1。
2 试验内容
1)静载试验。主桥控制截面在试验荷载(中载)下的挠度、应变;主桥控制截面在试验荷载(偏载)下的挠度、应变、偏转;各工况试验荷载下的裂缝观测。
2)动载试验。桥梁自振频率、振型与阻尼比;汽车荷载冲击系数。
3 试验方法
3.1 外观检查
试验前、后分别对各控制截面处进行外观检查,主要检查裂缝的出现和扩展情况。
观察主梁在试验荷载作用下是否有裂缝产生。若有则记录裂缝产生部位、长度、宽度、间距、方向和形状,以及卸载后的闭合情况。
3.2 应力与应变测试
根据各控制截面的控制内力,依影响线按各工况依次加载,在箱梁各控制截面顶板、底板、腹板以及桥墩上截面布置应变测点,测量各测试截面各测点的应变大小,并计算其相应的应力及主拉应力。各截面应变测试数据由静态数据智能采集系统采集,同时采集施工监控中埋设的传感器数据[1]。
全桥主梁应变测试截面为A、B、C、D、E、F6个截面(见图2);各截面应变测点布置见图3(“○”为应变测点,“”为应变花测点,“▽”为挠度测点)。
本次桥梁检测主梁控制截面应力测试在各控制截面的测点位置上布置长标距混凝土应变片进行,在混凝土箱梁底板上缘和顶板下缘粘贴应变片,在混凝土箱梁两侧壁粘贴应变花,通过DH-3816静态应变采集系统测试各工况加载时各截面测点的应变变化。
主桥主梁每个应变测试截面布置应变测点4个,温度补偿点1个。
3.3 挠度测量
后河大桥是S形曲线高墩桥梁,线形正确与否特别重要。在桥梁施工过程中,曾对桥墩设置过预偏度,以尽量逼近理论设计线形。所以,在此次荷载试验中,对主梁的线性进行全面的了解,首先用全站仪按施工断面打出了两幅桥的中线,然后用精密水准仪测出了它的标高,并与当前的理论值进行对比,也与试验后的测量数据相比较,作为研究梁体在试验过程中变化的依据。荷载试验过程中,主梁挠度测量采用高精度水准仪进行观测,并采用连通管进行测量。
4 静载试验结果及分析
后河大桥是空间曲线连续刚构桥,采用空间有限元分析软件建立全桥有限元模型进行分析计算[2,3]
4.1 线形测量
根据设计和施工阶段,全桥共分67个测量断面。在恒载作用下,成桥试验前后两次对测点进行测量。对数据进行分析,拟合主桥标高,并与设计标高进行比较。
经过2次测量,排除测量误差,比较得出成桥试验前后桥面标高一致,说明测量无误,且成桥试验后桥面线形完全恢复,说明桥梁处于弹性工作状态。
4.2 挠度测量
测量各工况荷载作用下,控制截面竖向挠度测量值,并与理论计算值进行比较。
从实测数据(从略)可以看到,两幅桥挠度实测值均小于理论值,校验系数绝大多数在0.8~1.0范围之中,均满足YC 4—4/1982《大跨径混凝土桥梁试验方法》(以下简称《试验方法》)第3.19条的规定。
本次试验中,为了切实掌握桥梁的线形变化,在采用高精度水准仪测量的同时,还在桥面上布置了水准管。水准管的读数和表中所列数据是一致的,这就真实地表达了在试验过程中结构的真实变形。
4.3 应力测量
1)应变片测量。在各个工况下分别进行采集数据,然后与理论数据对比分析。
2)传感器测量。试验过程中同时采集了应力传感器(钢弦传感器和光纤传感器)的读数,并与理论值进行了对比分析。
3)测量结果。从实测数据(从略)可以看到,应力值绝大多数都小于计算值,校验系数绝大多数在0.8~0.9范围之中,且全部在0.7~1.0之中,并且,残余应变值在20%以下,均满足《试验方法》第3.19条的规定。
5 动载试验测量结果及分析
通过对脉动信号进行谱分析,得出自振频率、振型及阻尼比。实测频率和阻尼比见表1。可以看出,主桥两幅实测频率在0.64~1.52之间,大于计算频率,表明实桥刚度较大。
在无障碍行车试验中,试验汽车分别以10、20、30、40、50 km/h 5种不同的车速匀速驶过该桥,每一车速行驶2次,测得激励荷载作用下桥梁各测点的振幅。分析可见,行车时桥面的竖向振幅随车速的提高而增大。
右幅边跨L/2处的竖桥向最大振幅为0.16 mm;右幅主跨L/2处的竖桥向最大振幅为0.21 mm;左幅边跨L/2处的竖桥向最大振幅为0.14 mm;左幅主跨L/2处的竖桥向最大振幅为0.18 mm。通过无障碍行车试验时程曲线,分析可得跨中冲击系数。可以看出右幅冲击系数介于1.03~1.15之间,左幅边跨冲击系数介于1.04~1.15之间,冲击系数总体较小。
在有障碍行车试验中,车辆以30 km/h速度行至测试跨跨中时跳车,测得有障碍行车工况下桥面的竖向振幅。根据测量结果进而计算出动挠跨比,右幅桥梁动挠跨比最大值为1/607 143,左幅桥梁动挠跨比最大值为1/314 815,试验表明该桥刚度较好。
同样在刹车试验中,车辆以30 km/h速度行至测试跨跨中时刹车,测得刹车工况下桥面的竖向振幅,据此计算出动挠跨比。右幅桥梁动挠跨比最大值为1/531 250,左幅桥梁动挠跨比最大值为1/340 000,刹车试验表明该桥左右两幅刚度均较好。
6 结语
通过后河大桥的荷载试验,可以得到以下结论。
1)后河大桥是S形曲线桥,在试验前后对主梁的线形进行全面的测量,得到试验前后主梁中线的三维坐标,通过与理论值对比,两者数据相一致,表明桥梁结构弹性工作性能良好,卸载后无残余变形。
2)曲线桥在试验以前进行准确的线形测量是非常必要的。它既可以为试验数据的采集奠定基础,又可以检验施工过程中掌握线形精度的程度。
3)试验准备过程中,偏载和中载的加载位置一定要慎重考虑,切实达到最不利荷载点。
4)偏载加载过程中,特别注意桥面两边对应点的高差,对引起高差误差的各个因素要进行慎重分析,在观测过程中,严格禁止有任何荷载的移动(包括工作人员),尤其是横向移动。
综合分析,该曲线连续刚构桥在各静、动载工况下,最不利截面的应力、位移及结构整体特征的实测值与理论计算值吻合良好,均符合《试验方法》规定。桥梁结构具有足够的强度和刚度,可满足正常使用要求。本文对同类曲线连续刚构桥梁荷载试验具有参考价值。
参考文献
[1]堪润水,胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2]JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].
高墩大跨连续刚构桥施工控制分析 篇5
高墩大跨连续刚构桥是将墩身与连续主梁固结而成的一种桥梁, 它是在连续梁桥和T型刚构桥的基础上发展起来的大跨径桥梁最常用形式之一, 具有跨越能力大、伸缩缝少、平顺度好、行车舒适、施工无体系转换、无需大型支座、顺桥向抗弯、横桥向抗扭刚度大等特点, 能充分适应温度、混凝土收缩徐变、地震等运行环境。
高墩大跨连续刚构桥在施工中, 受温度荷载影响, 桥体的弯矩、预拱度、线形、应力变化等节点不易控制。由于每个工程的特点和施工要求不同, 目前这类桥梁的施工控制工作尚且缺少一套统一的、可供参考的方法或技术标准。尤其是在施工控制中的关键节点———预拱度计算, 是否应该考虑桩基础, 目前也尚无定论。因此, 大多数高墩大跨连续刚构桥施工控制都是盲目进行, 既浪费工期, 还可能增加施工成本。
本文针对这一现状, 结合我国南部某高墩大跨连续钢构桥工程施工特点和施工要求, 针对温度和在一定条件下梁体的弯矩、预拱度提出考虑桩基础与不考虑桩基础两套施工控制模型, 通过对该桥梁预拱度以及内力的分析、比较, 总结出一套准确客观的施工控制方案, 以填补施工控制这一技术空白。
1 工程概况
我国南部某桥梁, 为特大型桥梁。主桥分左右两幅, 其上部构造如图1 所示。
主梁材料方面, 为C55 混凝土, 跨中梁高3.5m, 箱梁根部梁高度为12m。整个桥梁墩身, 其使用C50 混凝土作为墩身材料, 结构类型为双肢变截面矩形空心墩, 纵向每墩双肢外侧按照100:1 比例进行放坡。横向方面, 其根据墩高以分段的方式进行放坡, 从下到上分别为40:1、60:1以及100:1的坡率。基桩以及承台方面, 使用的材料为C30混凝土, 基桩为直径2.4m钻孔灌注桩, 最大桩长65m, 承台厚度为4m。持力层方面, 为弱风化页岩。
2 施工控制原则和技术要求
2.1 控制原则施工控制的目的是要对成桥目标进行有效控制, 修正施工中各种可能影响成桥目标的参数误差, 确保成桥后桥面线形、合龙段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值以及结构内力状态符合设计要求。
2.2 受力要求反映受力的因素是主梁的截面内应力。通常起控制作用的是主梁的上下缘正应力, 成桥后截面应力状态应该接近设计值。
2.3 线形要求线形主要是主梁的标高。成桥后 (通常是长期变形稳定后) 主梁的标高要满足设计要求。
综合以上控制原则和技术要求, 为了优化设计施工参数, 笔者建立起两套模型加以对比分析, 从中确定最佳控制方案。
3 分析模型建立
在悬浇连续钢构桥施工中, 其施工流程为:第一, 对桥墩进行施工, 进行悬臂浇筑;第二, 进行中跨、边中跨以及边跨合龙;第三, 对桥面进行施工。根据此流程, 则可以逐阶段的对结构不同截面的应力、内力以及位移进行计算, 在每个悬臂中, 则包括有梁段浇筑、张拉预应力以及移挂篮这几个工序。而在实际对该桥梁不同施工阶段开展仿真计算过程中, 则可以将其视为平面结构, 按照平面杆有限元程序的方式将其作为两个不同的模型进行计算与分析。
3.1 基桩模拟由于土与基桩间的相互作用, 刚性支撑已经不是桥梁结构模型的边界条件, 弹性支撑则成为了新的边界条件。在本文中, 以二维梁单元、桩侧设置弹性支撑作为有限元模型, 并在桩底进行固结。其中, 桩侧水平弹簧刚度的计算公式为:
在上式中, λ 为相邻弹簧间距离, khi为第i个弹簧的水平方向刚度, b1为桩基础计算宽度, j为第j个弹簧的对应位置, z为土层厚度, mj地基土比例系数。
在构造方面, 地面对于桩的竖向支撑力由桩底阻力以及桩侧摩阻力组成, 当桩土间存在相对位移时, 则会沿着桩身产生荷载传递, 并产生桩侧摩阻力。当两者间相对位置值相对不大时, 桩侧摩阻力则能够得到充分的发挥达到极限值。而对于处于一般土层位置的摩擦桩, 当土层支撑反力达到一定值之后, 在位移方面则需要存在比极限桩侧摩阻力大的多的位移值, 并使桩侧摩阻力在得到充分发挥之后使桩底反力得到充分的发挥, 进而达到一个极限状态:
在上式中, [pτ] 为桩侧在li范围内的摩阻力, li为相邻弹簧间距离, τi为极限摩阻力, U为桩侧周长。而根据地基情况以及桩基实际尺寸, 我们在由上式对桩侧在li范围内摩阻力进行获得的基础上可以根据下式对桩侧竖向弹性lvi值进行求出:
在上式中, Δ 为i点相对位移, kvi为桩侧i个弹簧在垂直方向上的刚度, 在本文中相对位移值取为6mm。
3.2 结构离散图
在图2 所示的模型1 中, 对箱梁、桥墩、桩基础以及桩基等离散单元进行了考虑, 在边界条件方面, 则为桩底固结以及弹性支撑, 在两边端部具有活动铰支座。纵向预应力筋方面, 则通过等效荷载法对其进行了模拟。在整个桥梁结构中, 一共具有564 个节点, 包括上、下部结构, 结构单元则共有571 个, 其中, 桩侧弹簧支撑数量为128, 上部主梁结构为230。
在图3 所示的模型2 中, 没有对墩底固结、桥墩离散两单元、桩基以及箱梁等进行考虑, 两边端部为活动铰支座。在纵向预应力筋方面, 其按照等效荷载法进行了模拟, 在整个桥梁中, 其一共具有391 个节点, 上部主梁单元数量为230 个。
在计算参数方面, 每个挂篮重量为104t, 每个压重水箱为350t, 每个合拢吊架为50t。纵向预应力筋以及混凝土的质量密度、摩阻损失、弹性模量等参数都取规范值。
4 计算结果对比
4.1 预拱度计算在进行预拱度计算时, 需要做好恒载作用的考虑, 包括施工架设荷载、混凝土收缩徐变、桥面二期恒载、结构自重以及预加力等。在该桥梁中, 由于其规模较大, 且主桥桥墩高度为178m, 在这个高度情况下, 如何能够以更为全面、准确的方式对桥梁墩身在具体施工中的竖向徐变位移进行分析则成为了对预拱度进行计算的非常关键的一类问题。通过上述目标的实现, 不仅能够帮助我们更为准确的对桥梁结构实际施工的历程进行良好的拟合, 且能够较好的获得桥梁在不同施工阶段所具有的受力以及位移状态, 且能够更好地对同桥梁结构形成历程有关的因素进行考虑, 如混凝土收缩徐变问题。同时, 由于该桥梁墩身规模较大, 所具有的施工工期较长, 在施工过程中, 桥梁墩身在自重的影响下就已经对先期徐变进行了完成。而在分析墩身竖向徐变位移时, 则需要对桥梁后期加载产生的徐变情况进行考虑, 即同时以后期加载以及先期加载的徐变理论进行计算与分析。在两种模型情况下, 通过运算, 得到桥梁施工预拱度的变化情况 (如图4 所示) 。
图4 为两种模型下预拱度的变化情况, 从图中走势可以看出, 两种模型预拱度在具体走势方面具有着相同的特点, 仅仅在墩顶位置具有着较大的差别。而通过表1 中数据的比较, 我们可以了解到, 两种模型预拱度在墩顶位置具有着较大的差值, 其中, 左7 墩顶所具有的差值最大, 其差值为0.36cm。而在跨中方面, 其数值同预拱度间则几乎不存在差别。从上述比较情况的分析我们则可以了解到, 在该桥梁建设中, 桩基础对于整体桥梁的预拱度所具有的影响并不大, 该种情况出现的原因, 主要是由于桥梁墩高同桩长间的比值较小引起的。
4.2 温度荷载温度荷载方面, 该桥梁箱梁顶板温度提升15℃, 顶板降温8℃, 合龙温度15℃, 体系降温25℃, 结构体系升温25℃。其中, 桥梁主要节点在温度荷载情况下所具有的弯矩情况如表2 所示。
从表2 数据中可以了解到, 在温度载荷情况下, 模型1 墩顶以及跨中弯矩值具有降低趋势, 箱梁根部弯矩具有增大情况, 这部分情况的变化, 对于桥梁的整体受力具有着较为积极的影响。而在桥梁整体升温、箱梁整体降温的情况下, 桥梁箱梁138 单元位置则具有着较大的弯矩变化。同时, 由于在该模型建立中对桥梁桩基础的作用进行了考虑, 则在增大桥梁墩身柔度的同时, 有效减少了桥墩自身弯矩。
5 施工控制效果
在上文中, 我们通过对某桥梁实例基础的模拟, 分别建立起了不考虑桩基以及考虑桩基这两个控制模型, 并通过对该桥梁预拱度以及内力的分析、比较获得了以下结论:第一, 对于大跨连续刚构桥而言, 温度荷载对其具有着较大的影响。通过两种不同模型在温度荷载情况下弯矩的比较数据可以了解到:桩基础在桥梁纵向柔性方面具有着较强的增加效果, 通过对桥梁桩基础的模拟, 能够有效降低温度荷载条件下桥梁墩身的弯矩;第二, 在桥梁施工中, 预拱度计算是非常重要的一项工作, 将对实际施工起到非常积极的指导作用。而通过两种模型情况下桥梁预拱度数值的比较, 则可以了解到桩基础对桥梁预拱度没有非常大的影响。
5.1 效果
5.1.1 预拱度控制效果图5 是采用模型2 进行施工控制后所得到的桥梁线形 (预拱度) 控制效果。从图中可以看出, 成桥后所得到的预拱度线形均已达到目标现行控制标准。
5.1.2 应力控制效果本文对5 号墩 (最高墩110m) 1~15 号块主梁上部进行了监测, 得到图6 所示监测结果。从图中看出, 两应力大小相差不大, 说明本工程对应力的控制卓有成效。
5.2 建议 ①建议承建同类工程的施工单位成立施工控制小组, 选派专职测量工程师实时跟踪监测施工控制效果, 每完成一个阶段的施工内容, 应及时整理出预拱度、应力变化等数据, 以便根据监测数据及时纠正误差。②应该深入研究施工控制理论, 提高监测精度和自动化程度, 建立起一套更完善的综合控制系统。这是今后桥梁施工控制需要进一步研究的工作。③研发桥梁工程智能监控系统。高墩大跨连续刚构桥梁构造复杂, 工程规模浩大, 单凭人力很难对整个桥体的施工进行全面而有效的控制, 应该借助智能监测系统辅助监测, 不断提高施工控制质量和精度。④通过效果分析, 本文关于高墩大跨连续刚构桥梁施工控制方法切实可行, 建议在其他桥梁工程中进一步推广应用, 以期使之日臻完善。
摘要：在现今桥梁建设中, 逐渐向着规模更大的方向发展。其中, 连续刚构桥具有着行车舒适、温度适应性好、地震影响低、无需转换施工体系以及跨越能力大等特点, 非常适合建设在大河以及高山峡谷环境中。在我国交通事业蓬勃发展的情况下, 该类型桥梁也在我国的多个地区中成功建设, 为当地的发展带来了十分积极的意义。为了能够更好的掌握该类型桥梁建设特点, 在本文中, 将就高墩大跨连续刚构桥施工控制进行一定的研究与分析。
关键词：高墩大跨,连续刚构桥,施工控制
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大跨连续刚构桥 篇6
安稳大桥是渝黔高速公路二期工程中的一座特大桥, 位于重庆市綦江县安稳镇, 跨越跳鱼河。主桥桥型为三跨预应力混凝土连续刚构桥, 桥梁主跨为122m+210m+122m, 主梁采用变高度单箱单室薄壁宽箱梁, 墩顶0号块梁段及箱梁根部梁高13m, 中跨跨中及边跨支架现浇段梁高4.0m, 梁高按半立方抛物线变化。箱梁顶宽22.5m, 底宽11.0m, 梁体采用C55混凝土, 设置三向预应力。
1 施工控制与最优控制计算方法
大跨径连续刚构桥的施工控制是一个施工→识别→修正→预告→施工的循环过程。施工控制的最基本要求是确保施工中结构的安全, 其次必须保证结构的外形和内力状态符合设计要求。由于在施工控制中, 同样会受到或多或少的噪声干扰, 我们需要用滤波的方法, 从被噪声污染中估计出真实的状态, 同时, 为了达到施工控制的最基本要求, 也即它的最优性能指标, 就必须遵循最优控制规律, 组成随机最优控制系统, 进行分析、调整、预测。
最优控制理论的采用:
对于悬臂施工的刚构桥, 其后一块件是通过预应力筋及混凝土与前一块件相接而成, 因此, 每一施工阶段都是密切相关的。分析各施工阶段及成桥结构的外形和受力特性就变得必不可少。
为了使结构在最终成桥状态时达到设计要求的各项性能指标, 确定各施工阶段结构的线形是桥梁悬臂施工中最重要的任务之一, 而决定上部结构每一待浇块件的预拱度尤其重要。因为桥梁在施工和运营状态下, 上部结构的标高频繁变化 (上挠或下挠) 。因此, 在上部结构各个截面的施工中应该预留容许偏差, 以期保证在“无限长时间” (约15～20年) 以后桥梁线形能够保证在设计所规定的范围内。
由于建桥材料的特性、施工误差等是随机变化的, 因而施工条件不可能是理想状态。为了解决上述问题, 在安稳桥的施工监控中, 将从前进分析、倒退分析、实时跟踪分析三方面入手, 实现成桥结构的线形满足设计要求的目标。
(1) 前进分析。
前进分析的目的在于确定成桥结构的受力状态。这种计算的特点是:随着施工阶段的推进, 结构形式、边界约束、荷载形式在不断改变, 前期结构将会发生徐变和几何位置的改变, 因而, 前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。我们将这种按施工阶段进行的结构分析称为前进分析法。
计算过程中, 将以前各施工阶段结构受力状态作为本阶段结构时差、非线性计算的基础, 前一阶段结构位移作为本阶段确定结构轴线的基础。在一个施工阶段中, 新拼装的杆件用激活两个节点间的单元进行模拟。计算时对施工阶段循环进行, 循环结束时的分析结果为成桥若干年后结构的受力状态。
前进分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为准确的结果, 为结构强度、刚度验算提供依据, 而且还可以为施工阶段理想状态的确定形成一个描述结构状态的数据文件, 作为完成桥梁结构施工设计、控制的基础。
(2) 倒退分析。
前进分析系统可以严格按照设计好的步骤进行各阶段内力分析, 但由于分析中结构节点的迁移, 最终结构轴线不可能达到设计轴线。
实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要, 线型形误差将影响桥梁的合拢等。为了使竣工后的结构保持设计线形, 在施工过程中用设置预拱的方法来实现。而对于分段施工的连续刚桥, 一般要给出各个施工阶段结构物控制点的标高 (预拱度) , 以便最终结构物满足设计要求, 这个问题比较复杂。
倒退分析系统可以从根本上解决这一问题。它的基本思想是, 假定t=t0时刻结构内力分布满足前进分析t0时刻的结果, 线形满足设计轴线。在初始状态下, 按照前进分析的逆过程, 对结构进行倒拆, 分析每次拆除一个施工阶段对剩余结构的影响。在一个阶段内分析得到的结构位移、内力便是理想施工状态。
各个理想施工状态的确定都是前进分析的逆过程, 倒退分析程序系统的设计与前进分析相似, 此外还应注意以下几点:
倒退分析系统用到的输入数据文件由前进分析提供, 初始状态由前进分析确定。
拆除构件用相应单元退出工作的方式模拟, 即在形成结构总刚度时, 约束退出工作的节点, 并去除退出工作单元的刚度。拆除单元的等效荷载, 用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余结构接缝处来加以模拟。
拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆除杆件作等效荷载作用状态的叠加, 即认为在这种情况下线性叠加原理成立。
被拆构件应满足零应力条件, 剩余主体结构新出现接缝面应力等于此阶段对该面施加的预应力。这是倒退分析的必要条件。
(3) 反馈控制的实时跟踪分析。
2 计算模型的建立
在进行悬臂施工线形控制计算分析的时候, 计算模型的建立非常重要, 这种模型须考虑以下几点问题: (1) 真实反映各个施工梁段的几何状态, 使得各个梁段的几何形态产生的误差对施工控制产生的影响减少到最小; (2) 考虑预应力在各个截面上不同位置的分布; (3) 能够正确反映施工过程中各种可能的计算工况。
2.1 计算假定
在计算分析过程中, 对刚构梁部进行了简化: (1) 结构正常工作状态下仅考虑小位移、小变形; (2) 每个阶段内的混凝土浇筑均匀, 内部不存在缺陷, 考虑混凝土的收缩、徐变影响; (3) 预应力通过锚具作用于梁段, 预应力损失计入。
2.2 荷载处理
在施工过程中, 结构承受的荷载有自重、预应力、挂篮荷载、施工机具和人群荷载。在有限元计算过程中, 自重通过定义结构的密度考虑重力, 挂篮自重、施工机具、人群荷载重量简化为当前施工节段上顶面作用的集中荷载。预应力转化为外荷载, 在截面上的锚具部位通过施加外荷载来实现, 其大小为张拉预应力值减去相应各项预应力损失。
2.3 边界条件确定及网格划分
在对安稳大桥各施工阶段的计算过程中, 按施工节段将各梁段离散为梁单元, 全桥共有197个节点, 197个单元。两个墩底视为固定支座, 两边跨端视为链杆支座。将单元几何信息及各个施工阶段的荷载, 徐变, 收缩, 预应力等信息输入数据文件中, 首先进行前进分析计算, 接着进行后退分析计算便可得到各个梁段的预拱度值, 然后以计入预留拱度值的成桥线形进行前进分析和倒退分析, 如此反复迭代几次, 直至计算结果收敛为止。前进分析计算的计算结果包括名个施工阶段的内力和位移值。后退分析计算的结果为各个梁段的预拱度值, 再由预拱度值便可计算出立模标高。
3 节段立模标高的确定
在建立了正确的模型和性能指标后, 在建立了正确的模型和性能指标之后, 就要依据设计参数和控制参数, 结合桥梁的状态、施工工况、施工荷载、二期恒载、活载等, 输入前进分析系统中。从前进分析系统中可获得结构按施工阶段进行施工时每阶段的内力和挠度及最终成桥状态的内力和挠度。然后, 假设成桥时为理想状态, 对桥梁结构进行倒拆分析, 得出各施工阶段的立模标高以及混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、钢筋张拉前、钢筋张拉后的预计标高。
立模标高为:HLi=HSi+Yi+ΔGi+Δi
式中:HLi—立模标高;
HSi—设计标高;
Yi—计算所得的预抛高值;
ΔGi—挂篮变形值。
Δi—第节段的误差调整值。
预计标高值为:
式中:X0i—浇筑当前块件的下挠值或张拉钢筋后下挠值。
但是, 实际的施工状态与理想的施工状态是有差别的, 这就说, 如果按照计算的预抛高值施工, 最终成桥状态不一定是理想的状态, 这时, 具有反馈控制的实时跟踪分析系统就是实现桥梁结构施工控制的关键。通过卡尔曼滤波器, 预告出各阶段的实际状态值, 再由最后的最优控制, 结合实际观测值, 得出最优调整方案, 最终完成控制过程。
4 施工线形控制的实现
根据有限元模型的计算结果, 求得各节段梁体的理论立模标高值, 在安稳大桥施工控制过程中, 采用最优控制理论对立模标高进行了有效控制和适时调整, 对施工过程中的应力和变形进行了实时检测。限于篇幅, 表中列出了1#墩中跨各梁段的施工标高控制结果, 悬臂施工阶段各节段梁体的计算值和实测值的差值均满足施工精度要求。1#墩边跨合龙时实测标高与理论标高相差0.3cm, 2#墩边跨合龙时实测标高与理论标高相差1.3cm;中跨合拢时实测标高与理论标高相差1.2cm;三个合龙段的相对高差均在允许值 (2.0cm) 范围内。成桥后跨中点预拱度为34.6cm, 为桥梁使用阶段的变形做好了挠度储备, 大桥的最终成桥线形良好。
5 结论
本文以安稳大桥为例, 利用最优控制理论, 采用有限元模型计算, 对大跨径连续刚构桥采用悬臂浇筑施工时的线形预测控制进行了理论分析, 并指导施工。结果表明, 根据预应力混凝土连续刚构桥的结构与施工特点, 建立适合连续刚构体系的数学、物理模型对桥梁施工过程进行标高和挠度控制, 将每一施工阶段监测所得的结构参数进行施工阶段模拟计算, 及时调整下一阶段的模拟标高, 有效地的保证了成桥线形。
摘要：为保证大跨连续刚构桥悬臂施工过程中的线形和合龙精度, 并满足成桥后的线形符合设计要求, 必须对悬臂浇筑施工各阶段的线形进行有效控制。本文以安稳大桥为例, 通过对收缩、徐变等影响因素分析, 采用控制论中的随机最优控制理论, 建立有限元分析模型, 对施工各阶段立模标高进行预测, 实践证明效果良好, 确保了成桥线形。
关键词：连续刚构,悬臂浇筑,线形控制
参考文献
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大跨连续刚构桥 篇7
关键词：高墩大跨径连续刚构桥,有限元模型,稳定性分析
虽然连续刚构桥在我国的修建历史较短,但随着施工工艺和设计计算理论的不断发展,其凭借跨越能力较大、施工工艺成熟、施工方便、经济效益好等优点,近年来在公路工程中得到了广泛的应用。在西部山区连续刚构桥也修建得较多,通常由于西部山区地形复杂,地势较为陡峭,桥梁往往用于跨越深谷,因此使得连续刚构桥的桥墩的高度较高,同时连续刚构桥通常情况下采用薄壁墩,因而桥墩的刚度较小,使得桥墩的稳定性问题凸显。本文采用有限元方法对某高墩大跨连续刚构桥桥墩的稳定性进行了分析,得到了有价值的结果。
1 结构稳定分析理论
结构失稳是指当结构所受到的荷载在数值上达到一程度时,结构所处的平衡状态的稳定性开始丧失,稍有扰动,则结构变形迅速增大,最后使得结构遭到破坏。通常将结构失稳分为两类。第一类失稳为分支点失稳(也称为屈曲失稳),此时结构原有的平衡状态变得不稳定,可能会出现新的平稳状态。比如轴心受压的直杆失稳就属于第一类失稳。第二类失稳为极值点失稳,此时结构的平衡状态不发生改变,但是其结构变形增长迅速,使得结构破坏而丧失承载能力。比如偏心受压杆失稳就属于第二类失稳。在实际中,工程结构的失稳往往都是第二类失稳。但是,由于第一类稳定问题的受力情况简单明确,数学上求特征值也比较容易,而且它的临界荷载又能近似地代表第二类稳定临界荷载的上限,所以研究第一类稳定问题依然有着重要的工程意义。
随着计算机技术的不断进步,有限元理论在计算结构稳定性方面的应用越来越广泛,下面简要对有限元法求解结构稳定性进行介绍。
在稳定性分析中结构的变形与受载的关系为:
其中,
对于线性条件下的稳定性分析而言,其实质可以归结为以下特征值问题的求解。
其中,λi为特征值,由特征值分析我们可以知道其在理论上存在n个不同的特征值,然后在工程实际中,只要达到了最小特征值时结构就发生,因此通常我们只取最小的特征值。
2 高墩稳定性分析
2.1 工程背景
本文所做研究以某高墩大跨连续刚构桥为依托。该大桥全长为640m,其中主桥为变截面连续刚构桥,其桥跨布置为60m+2×110m+60m。北岸引桥为3跨30m预应力混凝土T梁,南岸引桥为7跨30m预应力混凝土T梁。主桥的上部结构为变截面箱梁形式,箱梁截面为单箱单室截面,箱梁高度随着 桥跨位置按2次抛物线变化,其中主桥跨中位置的箱梁梁高为2.5m,主桥根部位置的箱梁梁高为6.6m,箱梁顶板宽为12m,底板宽为7m。在主桥中跨根部位置设置两道横隔板,厚度均为1.2m,在主桥中跨跨中设一道厚0.4m的横隔板。主桥桥墩采用变截面薄壁墩,桥梁下部结构采用钻孔灌注桩基础。该大桥主桥主梁为预应力混凝土结构,其混凝土材料采用C50混凝土,其三向预应力体系采用标准强度fpk=1860MPa的高强度低松弛钢绞线,而桥墩均采用C40混凝土。大桥的设计荷载为公路I级,其桥跨布置图如图1所示。
2.2 有限元模型的建立
本桥的有限元模型选用大型有限元计算软件MIDAS/CIVIL建立。在建立大桥的有限元模型时,首先对大桥结构根据施工阶段进行离散确定单元和节点,大桥的主梁和桥墩均采用空间梁单元模拟,大桥的约束条件根据设计在主墩墩底采用固定支座,而在主梁的边跨梁端采用活动支座约束。经过结构离散后全桥共计165个单元,均为梁单元,其中主梁的变截面形式通过MIDAS/CIVIL的变截面组实现。主桥的有限元模型见图2所示。
2.3 高墩稳定性计算分析
下面根据上面建立的有限元模型对成桥阶段高墩的稳定性进行计算。结构的稳定性问题实质上就是一个特征值问题。通常采用有限元法对结构的稳定性进行分析,这个过程通常为以下的步骤:
(1)输入结构的分析模型;
(2)构成总体刚度矩阵和屈曲分析所需要的荷载矩阵;
(3)构成整体几何矩阵;
(4)分析构成各单元的几何刚度矩阵;
(5)应用总体刚度矩阵和整体几何刚度进行特征值分析。
对于本大桥的高墩稳定性分析,分别计算了高墩在三个荷载工况作用下结构的稳定性,这三个计算荷载工况分别为:
荷载工况一:
考虑结构在自重作用下的稳定性;
荷载工况二:在考虑结构在自重作用的同时也考虑了横桥向的风荷载的作用下的高墩稳定性;
荷载工况三:在考虑结构在自重作用的同时也考虑了顺桥向的风荷载作用的高墩稳定性。
由于在稳定性分析中考虑了风荷载作用,这里首先要确定在计算中作用在高墩上的风荷载,这里仅仅考虑静风力作用,而不考虑脉动风引起的抖振力和结构的自激力。桥墩风荷载标准值可以根据JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》[5]求得。
根据该桥梁所处的地理位置,地形条件,可以求得风的顺桥向墩顶静风荷载集度为:qwx1=7.49kN/m;顺桥向墩底风荷载集度为:qwx2=6.47kN/m。
风的横桥向墩顶风荷载静力荷载集度为:qwy1=9.49kN/m;横桥向墩底风荷载集度为:qwy2=6.68kN/m。
根据上面得到的静风荷载和有限元计算模型计算得到了高墩分别在三种荷载工况作用下的屈曲模态及稳定系数的结果,由于篇幅原因这里仅仅给出了前三阶的屈曲模态结果和荷载工况一作用下结构的失稳图,其具体结构见表1和图3。
由表1我们可以知道,在三种荷载工况作用下高墩的稳定性均满足设计要求,前三阶屈曲模态一致,同时其第一阶失稳模态均为桥墩沿顺桥向方向失稳。风荷载作用使得高墩的稳定性有所减弱。同时横桥向风荷载对高墩稳定性的影响较顺桥向风荷载稍大。
3 结 论
本文采用有限元方法对某高墩大跨连续刚构桥高墩的稳定性进行了分析,分别计算高墩在三种荷载工况下的失稳结果,通过计算分析可知大桥高墩在三种荷载工况作用下其稳定性均满足设计要求,同时其第一阶失稳模态均为高墩沿顺桥向方向失稳。风荷载作用会对高墩的稳定性产生不利的影响,其中横桥向风荷载对高墩稳定性的影响较顺桥向风荷载稍大。
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大跨连续刚构桥 篇8
云南某特大桥由主桥和引桥两部分组成, 主桥采用 (88+160+88) m预应力混凝土连续刚构桥, 单箱单室, 箱梁顶板宽12 m, 底板宽6.5 m。箱梁高度由根部9.6 m按1.8次曲线渐变至跨中3.5 m;底板厚度由根部1.0 m按1.8次曲线渐变至跨中0.32 m。引桥采用25 m先简支后连续预应力混凝土T梁, 小桩号侧为1跨, 大桩号侧为15跨。主墩采用双肢等截面矩形截面, 墩中距9.0 m, 单肢顺桥向宽度为3.0 m, 横桥向宽度为7.5 m, 最大墩高72 m。主桥桥墩基础采用9根2.5 m直径的桩基础。
2 地震动特性及抗震概念设计
本桥桥址处于典型的地震断层附近, 所以在进行桥梁抗震设计前, 首先必须了解近断层地震动的特性。在以往的研究中, 人们通过对近断层强震观测资料的分析、地震震源过程的反演和近断层地震动的数值模拟, 发现近断层地震动明显不同于远场地震动, 其基本特征主要表现在: (1) 高地表最大加速度 (PGA) 与高地表最大速度 (PGV) ; (2) 速度脉冲效应; (3) 具有极高的速度增量; (4) 显著的能量脉冲; (5) 显著的永久地表位移; (6) 显著的竖向地震动[1,2]。
采用非线性时程分析考虑结构的地震响应, 时程分析方法采用Newmark非线性直接积分法, 考虑恒载的初始效应。地震动时程曲线见图1。
本桥抗震概念设计考虑到上述近断层地震动特性第6条, 地震激励中将有很大的竖向效应, 此时支座可能会受到较大的拔拉力 (负反力) , 橡胶支座的性能将受到很大的影响, 所以, 应尽量避免采用减隔震橡胶支座。又考虑到上述近断层地震动特性第5条, 主梁和过渡墩及桥台之间很可能存在较大的相对位移, 所以, 必须增加限位装置。本桥减震设计的具体方案如下: (1) 纵桥向抗震体系:过渡墩、桥台纵桥向活动盆式支座+过渡墩、桥台安装油阻尼器; (2) 横桥向抗震体系:过渡墩、桥台横桥向固定盆式支座。
3 无阻尼自由振动特性
阻尼器的参数设计实际上是一个结构设计、阻尼器参数设计、经济效益综合分析及减振预期控制目标的综合设计过程。本次设计全桥共安装5个阻尼器, 过渡墩安装3个, 桥台上安装2个。参考国内已建使用阻尼器的部分大跨桥梁的相关阻尼器参数并经试算优化, 最终确定过渡墩阻尼器阻尼系数2 500 k N/ (m·s-1) , 速度指数0.3, 桥台阻尼器阻尼系数1 000 k N/ (m·s-1) , 速度指数0.3。
根据桥梁结构的总体布置, 采用Frame3D有限元分析程序建立了全桥三维有限元模型。主梁和墩柱模拟为考虑了剪切变形的三维弹性铁幕辛克梁单元。群桩基础-地基体系采用简化的分层文克尔地基梁模型模拟。土体动m值参考《公路桥梁抗震设计细则》取值为地基规范静m值的2.5倍, 土弹簧的设置除了按土质的不同分层外, 还遵循上密下稀的原则。过渡墩及桥台处活动盆式支座模拟为双线性理想弹塑性单元, 桥梁空间有限元模型见图2。
结构的无阻尼自由振动特性主要是和自身的质量和刚度密切相关, 本次分析采用桥梁结构比较适用的集中质量法形成结构的质量矩阵, 且因为结构墩和主梁均属于薄壁箱型截面, 所以在考虑质量时除了考虑常见的平动质量外, 对主梁、墩还均考虑了转动惯量, 这样较精确地得到了全桥的质量矩阵。振型分析采用子空间法, 表1列出了大桥的前5阶周期、频率及振型。其中第1阶周期3.571 s, 且为纵向振动, 可以看出主墩横向刚度大于纵向刚度。
4 空心墩的混凝土本构
桥梁的主墩及过渡墩均为薄壁空心截面墩, 为了更准确地了解墩柱的非线性抗弯能力, 必须详细分析墩柱的混凝土本构。本次分析结合Mo等人及日本的最新研究成果[3]对桥墩的延性能力进行了专项研究, 桥墩的混凝土单轴受压非线性本构中的重要参数见表2, 混凝土本构曲线见图3、图4。
5 地震响应分析
安装阻尼前和安装阻尼器后大桥的主要地震响应见表3, 主梁与墩台相对位移时程曲线见图5。可以看出, 安装阻尼器后, 阻尼器起到了很好的限位作用, 大桥的顺桥向位移得到明显控制, 峰值位移经减震设计后减小了70%以上。
6 结论
(1) 近断层地震动一般含有巨大的竖向成分, 有时甚至比水平成分要大, 所以在近断层桥梁设计中应尽量避免采用橡胶支座或增加抗拔拉装置;
(2) 国内以往大跨刚构桥的抗震很多只重视内力响应部分, 但实际上桥梁的位移响应也必须得到重视, 特别是在近断层或高烈度区域, 梁端相对位移将非常大, 若不加以限制将导致主梁梁端与盖梁脱落、相邻联主梁撞击等灾害。本文拟采用阻尼器的减震设计来增加整桥的阻尼, 消耗地震能量。增加阻尼器前主梁两端相对位移达到800 mm以上, 当采用阻尼器后, 主梁两端相对位移分别减小315 mm及194 mm, 峰值位移经减震设计后减小了70%以上, 从而可以发现增加阻尼器将明显改善结构的位移响应, 减小了主梁梁端的碰撞危害;
(3) 阻尼器速度指数为0.3, 属于典型的非线性阻尼器, 阻尼器与结构受力耦合程度较强, 所以阻尼器附加给过渡墩的力较大达到甚至大于结构未设置阻尼器时的受力, 过渡墩顺桥向墩底弯矩从63 474 k N·m增加到了127 169 k N·m。但同时阻尼器也使得地震力得到了分摊, 主墩顺桥向墩底弯矩从414 181 k N·m减小到了172 878 k N·m。可以看出主墩响应明显降低。所以对于安装了阻尼器的本桥来说, 过渡墩的抗震性能是重点;
(4) 高墩刚构因为墩高体系柔, 主要震害为主梁梁端的过大位移和主墩承受较大弯矩, 本文采用在过渡墩处增加阻尼器的方案明显降低了梁端位移及主墩受力但相应地也增加了过渡墩或桥台的内力响应, 通过对阻尼器参数的优化最终使整桥的位移响应与内力响应达到了一个比较理想的平衡点。
摘要：高墩大跨连续刚构桥在西部山区应用非常广泛, 当桥梁位于近断层地区时, 迫切需要解决桥梁抗震问题。以云南某高墩大跨连续刚构桥为工程背景, 基于合理混凝土本构对比减震与非减震结构地震响应, 提出了优化减震设计方案。
关键词：桥梁工程,高墩大跨连续刚构,抗震设计,Frame 3D,油阻尼器
参考文献
[1]陈亚军, 姜成启, 王爽, 等.睢宁二站进场交通桥支座抗震设计探讨[J].中国水运, 2012, 12 (10) :196-197.
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