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​四川桥梁拆除施工控制仿真计算

futao 桥梁拆除 2019-04-02 609 0
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四川拆除施工控制仿真计算

第一节矿山大桥计异

桥梁施工通常是采用分阶段完成的施工方法,结构的最终形成(或解除),必须经历一个漫长而复杂的施工过程以及体系转换过程,对施工过程中的每个阶段的变形计算和受力分析,是桥梁结构施工控制中最基本的内容。

一、桥梁施工过程模拟分析方法

现阶段桥梁施工控制中桥梁结构的模拟方法主要有三种:

1正装分析法

正装分析法按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析,它能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,这不仅可用来指导桥梁设计和施工,而且为桥梁施工控制提供了依据。同时在正装计算中,能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素,如结构的非线性问题和混凝土的收缩、徐变问题。

2.倒装分析法

倒装分析法是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析的◦倒装计算法的目的就是要获得桥梁结构在各个施工阶段理想的安装位置(主要指标高)和理想的受

力状态。

3.无应力状态分析法

无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础,将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来,这种方法特别适用于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制。在新建混凝土桥梁的施工控制中,由于桥梁结构的非线性问题和混凝土的收缩、徐变问题,无论倒装计算法还是无应力状态法都不会与正装计算的结果吻合◦而在桥梁的拆除施工控制中,基于桥梁结构的非线性和混凝土的收缩、徐变都已基本稳定,因此这三种方法计算的结果基本一致。

拆除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挠度和内力不得超限。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、调整和预测。

桥梁施工控制结构分析方法、施工过程的结构分析方法应根据具体情况来选择,一般情况都是采用有限元法,有时也可以采用解析法。

(1)有限元法

有限元法就是将连续体分成有限多个单元,单元间互相由结点连接的理想结点系统。分析时,先进行单元分析,用结点位移表示单元内力,然后将单元再合成结构,进行整体分析,建立整体平衡关系,由此求出结点位移,继而得到单元内力。

(2)解析法

解析法也是一种结构分析方法。用解析法对于一般的复杂结构分析是难以实现的,可用于无应力状态法通过解析无应力索长分析悬索桥施工过程。

对于本文的连拱桥拆除施工控制分析,解析法无法对双曲拱桥进行详细分析,最终采用有限元分析法对拆除施工进行倒装模拟分析。

二、控制计算模型的建立

矿山大桥上部结构静力分析采用MIDASCivil2010进行计算。按照实际拆除施工顺序和有关规范规定对各种荷载进行不同的荷载组合,对结构的强度、刚度和应力进行验算。

本桥运用工程控制论的思想,采用最优控制理论与计算机相结合的技术,将矿山大桥作为线性离散、确定性动态结构系统最优控制的对象,建立随机的数学模型和性能指标,用误差分析的思想,得出状态变量,按确定性的最优控制规律构成闭环状态反馈系统,求出最优控制变量值,不断对各阶段进行调整、控制,最终达到随机最优控制的目的。

矿山大桥实施控制计算时,采用梁格法原理,将其简化为平面杆系结构,多波拱圈截面离散为梁单元,主跨结构计算简图如图6-1所示,结构的有限元计算模型如图6-2所示。

图6-1MIDAS中跨桥梁模型离散图

图6-1MIDAS中跨桥梁模型离散图

图6-2MIDAS中跨桥梁模型消隐图

图6-2MIDAS中跨桥梁模型消隐图

采用梁格法建模,为模拟横向联系,采用重度为0的虚拟横梁连接。拱圈的拱肋截面采用如图6-3所示方式进行模拟,整个拱圈截面共2根边拱肋,4根中拱肋。腹拱拱圈的预制宽度为84.5cm,在横桥向同一断面共13块,亦采用梁格法进行模拟。

由于拆除施工过程中没有桥面移动荷载,可将桥面铺装及护栏等简化为单元荷载,均勻加载在腹拱圈及实腹段上,同时释放立柱顶端转动约束,只传递轴力。主拱拱肋、拱板、立柱基座及填平层采用C25混凝土,拱波采用C20混凝土。实腹拱上填料采用砂砾,空腹拱上填料采用炉渣,换算成均布荷载施加于结构模型上。

整个成桥过程分为十个施工阶段:原桥全桥结构—拆除桥面铺装—拆除拱上集料—拆除腹拱—拆除立柱—拆除东侧第一条主拱圈—拆除第二条主拱圈—拆除第三条主拱圈—拆除第四条主拱圈—拆除第五条至最后一条主拱圈。

图6-3拱圈中拱肋及边拱肋截面

图6-3拱圈中拱肋及边拱肋截面

计算过程简化模型如图6-4所示。

a)原桥

a)原桥

b)拆除桥面铺装及拱上填料

b)拆除桥面铺装及拱上填料

c)拆除腹拱

c)拆除腹拱

d)拆除立柱

d)拆除立柱

e)拆除东侧第一条主拱圈

e)拆除东侧第一条主拱圈

f)拆除至最后一条主拱圈

图6-4计算过程模型

三、最优控制理论

拱桥拆除过程中,每一阶段的卸载都将影响到主拱圈的受力和变形,特别是不同的拆除顺序或工艺对主拱圈的受力和变形又有着重要的影响。因此,每个拆除工况之间都是密切相关的,分析各施工阶段的线形和受力特性就变得必不可少。为了使结构在整个拆除施工过程中内力及挠度不超出设计、监控要求的各项性能指标,确定各施工阶段卸载值是双曲拱桥拆除施工中最重要的任务之一。因此,在上部结构各个工况的拆除施工中应该预留容许偏差,以期保证在较长时间内结构物能够保证在预计的变化范围内。

由于材料的特性、施工误差、卸载偏差等是随机变化的,因而施工条件的仿真模拟不可能是理想状态。为了解决上述问题,在邢峰公路矿山大桥的拆除施工中,从正装分析、倒装分析、实时跟踪分析三方面入手,相互结合,实现成桥结构在线形、内力各方面满足设计要求的目标。

为了保证上述三方面分析的准确性,正确而详细地划分结构在整个形成过程中的各个不同受力阶段是至关重要的。在正确建模的基础上考虑参数识别和修正,并根据现场施工周期修正计算模型,全部计算分析过程由有限元专用程序完成。

四、计算挠度及应力

通过仿真模拟计算,挠度及应力控制指标见表6-1、表6-2。

挠度控制指标	表6-1

挠度控制指标表6-1

由表6-1看出,主拱圈在拱顶挠度最大值为5.3mm,在L/4处挠度最大值为5.1mm,在拱脚挠度最大值为1

应力控制指标 表6-2

应力控制指标 表6-2

续上表

续上表

注:在拱顶设置三个测点。由于矿山桥共有六条拱肋,故对称地选择三条拱肋进行监测。

第二节马河大桥计算

马河大桥采用的计算理论与矿山大桥一致,不再介绍。

马河大桥计算过程:在对邢峰公路马河大桥实施控制计算时,采用梁格法原理,将其简化为平面杆系结构,多波拱圈截面离散为梁单元。主跨结构计算简图如图6-5所示,结构的有限元计算模型如图6-6所示。

图6-5MIDAS中跨桥梁模型离散图

图6-5MIDAS中跨桥梁模型离散图

图6-6MIDAS中跨桥梁模型消隐图

图6-6MIDAS中跨桥梁模型消隐图

采用梁格法建模,为模拟横向联系,采用重度为0的虚拟横梁连接。拱圈的拱肋截面采用如图6-7所示方式进行模拟,整个拱圈截面共2根边拱肋,4根中拱肋。腹拱拱圈的预制宽度为84.5cm,

在横桥向同一断面共13块,亦采用梁格法进行模拟。

由于拆除施工过程中没有桥面移动荷载,可将桥面铺装及护栏等简化为单元荷载,均匀加载在腹拱圈及实腹段上,同时释放立柱顶端转动约束,只传递轴力。主拱拱肋、拱板、立柱基座及填平层采用C25混凝土,拱波采用C20混凝土。实腹拱上填料采用砂砾,空腹拱上填料采用炉渣,换算成均布荷载施加于结构模型上。

马河桥与矿山桥结构类似,整个成桥过程也分为十个施工阶段:原桥全桥结构—拆除桥面铺装—拆除边拱肋拱上集料—拆除腹拱―拆除立柱—拆除东侧第一条

图6-7拱圈中拱肋及边拱肋截面

图6-7拱圈中拱肋及边拱肋截面

主拱圈—拆除第二条主拱圈—拆除第三条主拱圈—拆除第四条主拱圈—拆除第五条至最后一条主拱圈。

计算过程简化模型如图6-8所示。

a)原桥

a)原桥

b)拆除桥面铺装及拱上填料

b)拆除桥面铺装及拱上填料

c)拆除腹拱

c)拆除腹拱

d)拆除立柱

d)拆除立柱

e)拆除A侧第1、2片

e)拆除A侧第1、2片

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f)拆除至最后一条主拱圈

图6-8计算过程模型

通过计算,马河桥的计算数据见表6-3、表6-4。

挠度控制指标表6-3

挠度控制指标	表6-3

由表6-3看出,主拱圈在拱顶挠度最大值为5.8mm,在L/4处烧度最大值为5.Omm,在拱

脚挠度最大值为0。

应力控制指标 表6-4

应力控制指标 表6-4

注:拱顶设置三个测点。由于马河桥共有五条拱肋,故对称地选择三条拱肋进行监测。

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