深安黃河大橋v形墩施工方案優(yōu)化研究

深安黃河大橋v形墩施工方案優(yōu)化研究

1貿易橋v形墩蘭州深安黃河大橋主橋采用下架式蝶形拱橋（見圖1），全長156m，寬36.5m。鋼-混凝土結合梁高3.5m，懸索距離8m。主柱采用v形墩（v形墩在剛橋中使用較多，但拱橋很少使用）。該橋V形墩(見圖2)順橋向外形呈花瓶形,與主拱線形順接。V形墩為圓弧線形空心墩,墩頂部通過預應力系梁連接。V形墩墩高13.016m,橫橋向寬5m,順橋向頂長24m,底長10m?？拷龢騻萔形支腿外輪廓截面尺寸為4m×5m(縱×橫),四周設1.0m×0.5m倒角;內腔壁為直線形,順橋向壁厚0.752~1.264m,橫橋向壁厚1m,內腔四周設0.3m×0.3m倒角。靠近主橋側V形支腿外輪廓截面尺寸為5.05m×5.00m(縱×橫),四周設1.0m×0.5m倒角。墩頂系梁高1.2m,寬4m,為預應力混凝土構件,設置10根ue788s15-12預應力鋼束。V形墩采用C50抗凍混凝土。2幾何模型及有限元模型的建立一般剛構V形墩的施工方法比較成熟,該橋V形墩施工借鑒了類似工程經驗。V形墩施工分5次澆筑,第一次澆筑高度為4.2m(第一節(jié)模板與第二節(jié)模板累計高度);第二次澆筑高度為4.4m(第三節(jié)模板與第四節(jié)模板的累計高度);第三次澆筑高度為2.2m(第五節(jié)模板高度);第四次澆筑高度為2.216m(第六節(jié)模板高度),但系梁處需留寬50cm的后澆帶;第五次澆筑后澆帶,施工前需將V形墩支腿的豎向支撐拆除,在其自由受力狀態(tài)下完成后澆帶施工。V形墩支腿分3次澆筑成型(不含基座),需設置2道臨時預應力鋼筋(見圖3)。預應力鋼筋采用φ25精軋螺紋鋼,每道沿V形墩寬度方向布置5根,間距0.9m。預應力張拉采用后張法施工工藝,即在混凝土澆筑前,以φ48的鋼管作為預應力孔道,模板相應位置打孔外穿鋼管,預應力筋澆筑前從兩側對穿,在V形支腿間利用接駁器連接,必要時需在V形支腿中間設3或4個支承點,并施加一定的初應力,也可兼做模板對拉系統(tǒng)。在V形墩模板的每個支承點處設置雙拼φ48×3.5鋼管支架,間距按50cm×50cm控制。鋼管支架支承在由8根φ600×10鋼管柱和貝雷梁組成的支承平臺上。3三維仿真模型V形墩施工步驟比較多、施工工藝也相對復雜。利用ANSYS軟件建立三維仿真模型,分析每個施工過程V形墩的應力與變形、臨時預應力的效應以及支架的內力與變形。其中,混凝土承臺、V形墩支腿及系梁均采用Solid45實體單元模擬;施工貝雷梁、支架等均采用Beam4空間梁單元模擬;預應力根據(jù)等效荷載法轉換為相應節(jié)點等效荷載之后施加到結構上。計算模型共計81503個節(jié)點、410021個單元,其中實體單元407554個,梁單元2467個。邊界條件為承臺底截面固結。計算模型單位采用國際單位,混凝土及鋼材計算參數(shù)均按規(guī)范取值。為驗證V形墩實體模型的正確性,分別在實體模型和空間梁單元模型中的V形墩系梁中點位置施加1組荷載:FX=1000kN、FY=-1000kN、FZ=1000kN。經ANSYS分析軟件計算,實體模型承臺底面沿坐標軸3個方向的反力分別為:FX=-10000kN、FY=10000kN、FZ=-10000kN,與施加的外力大小相等、方向相反;計算得到的彎矩為:MX=-124160kN·m、MZ=124160kN·m,與外荷載引起的彎矩平衡。2個模型計算得到的位移比較如表1所示。由表1可知,實體模型和梁單元模型在驗證荷載作用下的位移基本相等,由于實體模型考慮了V形墩結構局部實心段的剛度放大作用,因而計算得到的位移比梁單元的略小,符合模型特點。故實體模型計算結果是正確、可靠的,可以用于施工仿真分析。4v型墩施工過程分析由于篇幅所限,本文重點介紹V形墩主要施工工況下的應力與變形,以及支架的受力情況,并給出每個工況下V形墩的混凝土主拉應力云圖。4.1混凝土澆筑施工根據(jù)V形墩混凝土澆筑順序及施工臨時預應力施加順序,將主橋V形墩施工全過程仿真分析分為如下8個主要施工工況:(1)工況1為V形墩承臺及第一節(jié)段混凝土澆筑施工;(2)工況2為V形墩第二節(jié)段混凝土澆筑施工;(3)工況3為施加第一道施工臨時預應力荷載;(4)工況4為V形墩第三節(jié)段混凝土澆筑施工;(5)工況5為施加第二道施工臨時預應力荷載;(6)工況6為V形墩第四節(jié)段混凝土澆筑施工;(7)工況7為拆掉V形墩支腿支架后,系梁寬50cm后澆帶施工;(8)工況8為張拉系梁預應力后拆除系梁支架,V形墩成型。各個工況支架搭設情況以及施工支架及貝雷梁的截面特性均按參考文獻選取。4.2施工臨時預應力后v形墩應力和位移分布(1)工況1。模型施加荷載為結構自重荷載,無施工支架。V形墩混凝土主拉應力云圖如圖4所示。根據(jù)仿真分析結果可知,該工況下V形墩應力及位移均很小,豎向位移小于0.1mm,最大應力小于0.1MPa。(2)工況2。模型模擬在支架上現(xiàn)澆第二節(jié)段混凝土,此時該節(jié)段混凝土尚未固化,有自重而無剛度。V形墩混凝土主拉應力云圖如圖5所示。由結果可知,該工況下V形墩應力及位移均較小,V形墩支腿分叉處應力水平稍高,順橋向應力約為0.4MPa,主拉應力約為0.6MPa;貝雷梁豎向最大位移約為1.2mm;支架ue788600×10鋼管柱的最大軸力為164kN;單組雙拼ue78848×3.5鋼管最大軸力為9.6kN。(3)工況3。模型施加第一道施工臨時預應力(荷載500kN,作用點離承臺頂7.1m),此時第二節(jié)段混凝土已經固化,參與結構受力,無新增支架。V形墩混凝土主拉應力云圖如圖6所示。由結果可知,在工況2的基礎上張拉第一道施工臨時預應力后,V形墩應力及位移均有所減小,V形墩支腿分叉處順橋向應力減小為0.15MPa,主拉應力減小為0.18MPa;貝雷梁豎向最大位移減小為0.7mm;由于張拉臨時預應力減小了施工過程中V形墩應力,降低了V形墩出現(xiàn)裂縫的可能性。(4)工況4。模型模擬在支架上現(xiàn)澆第三節(jié)段混凝土,此時該節(jié)段混凝土尚未固化,有自重而無剛度。V形墩混凝土主拉應力云圖如圖7所示。分析結果可知,該工況下V形墩應力及位移略有增大,V形墩支腿分叉處順橋向應力約為0.5MPa,主拉應力約為0.7MPa,V形墩承臺底截面支腿外側豎向壓應力約為1.2MPa;貝雷梁豎向最大位移約為1.1mm;ue788600×10鋼管柱最大軸力為98kN;單組雙拼ue78848×3.5鋼管最大軸力為3.5kN。(5)工況5。模型施加了第二道施工臨時預應力(荷載600kN,作用點離承臺頂9.9m),此時第三節(jié)段混凝土已經固化,參與結構受力。V形墩混凝土主拉應力云圖如圖8所示。分析結果可知,在工況4的基礎上張拉第二道施工臨時預應力后,V形墩應力及位移均明顯減小,V形墩支腿分叉處順橋向應力減小為0.06MPa,主拉應力減小為0.1MPa;貝雷梁豎向最大位移減小為0.7mm?？芍?張拉第二道臨時預應力也對減小施工過程中V形墩的應力起了一定的作用。(6)工況6。模型模擬在支架上現(xiàn)澆第四節(jié)段混凝土(留50cm后澆帶),此時該節(jié)段混凝土尚未固化,有自重而無剛度。V形墩混凝土主拉應力云圖如圖9所示。由結果可知,V形墩應力及位移較小,但支腿與系梁相連接的三角區(qū)出現(xiàn)了一定的應力集中(該處澆筑過程中處于支架邊界處,支撐條件有突變),三角區(qū)圓弧段出現(xiàn)約1.0MPa的豎向拉應力,圓弧段頂緣出現(xiàn)了0.6MPa的順橋向拉應力,施工過程中應注意加強保護;貝雷梁豎向最大位移約為1.0mm;φ600×10鋼管柱的最大軸力為81kN;單組雙拼φ48×3.5鋼管最大軸力為2.1kN。(7)工況7。模型模擬澆筑系梁50cm后澆帶,所有支架已拆除。V形墩混凝土主拉應力云圖如圖10所示。分析可知,V形墩應力及位移較小,但在支腿與系梁相連的三角區(qū)出現(xiàn)了一定的應力集中,三角區(qū)圓弧段出現(xiàn)約1.5MPa的豎向拉應力,圓弧段頂緣出現(xiàn)了0.6MPa的順橋向拉應力,施工過程中應注意加強保護;貝雷梁豎向最大位移約為0.4mm。(8)工況8。模型施加系梁預應力荷載,施工完成后V形墩混凝土主拉應力云圖如圖11所示。由結果可知,V形墩除支腿與系梁的三角圓弧區(qū)及系梁預應力錨后區(qū)由于應力集中有1.2~1.5MPa的拉應力外,基本處于受壓狀態(tài),支腿分叉區(qū)在張拉系梁預應力后,順橋向及豎向分別有1.0MPa、1.2MPa的壓應力儲備。5施工結果分析(1)模型驗證結果表明,V形墩實體仿真模型是正確可靠的,可以用于施工仿真分析。(2)施工全過程仿真分析表明,V形墩施工過程中各項應力以及變形較小,施工過程出現(xiàn)裂縫的可能性較小。(3)