大渡河特大桥在施工过程中的受力仿真分析

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摘 要 本论文以乐宜高速公路大渡河特大桥主桥项目为例，针对采用挂篮悬臂浇筑施工的预应力连续梁，其0号块空心为钻石结构，结构特殊，预应力为三向预应力的受力体系，结构受力复杂。在施工过程中，为了更清楚的了解结构的特殊部位或施加施工外荷载的接触部位的受力情况，合理布置外荷载的施加部位和加载方式，确保外荷载的施加对结构没有安全隐患，确保桥梁的施工过程中结构的质量和安全。本论文采用大型通用有限元软件Midas Civil建立预应力混凝土连续梁整体模型分析各施工阶段的受力情况（内力、应力及变形），并根据Midas Civil软件计算出的内力进行加载相应的受力截面；然后采用桥梁非线性及细部分析软件Midas FEA对0号块和1号块进行实体仿真模型分析，详细、直观的分析0号块的位移、内力及应力情况，为施工提供合理布设外加荷载的依据，确保施工过程中结构的安全，控制关键部位应力状态在规范允许范围内。

关键词 大渡河特大桥；施工过程中；受力；仿真；分析

中图分类号 TU997 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）011-0098-03

1 工程简介

罗李坝大渡河特大桥是乐宜高速公路跨过青衣江后的第二座跨河大桥，大桥起点K4+889，止点K6+329，桥梁全长1435米，桥宽24.5米。主桥上部构造采用三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，桥孔布置为73 m+130 m+73 m，全长276 m。主桥总体布置图见图1。

主桥箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面，箱顶板宽12.0米，底板宽7.0米。箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高3.0米，主墩处的箱梁根部断面和墩顶0号梁段高为8米。从中跨跨中至箱梁根部，箱高以1.5次抛物线变化。箱梁腹板在墩顶范围内厚140厘米，从箱梁1号截面至6号截面腹板厚70厘米，从7号截面至12号截面腹板厚60厘米，从13号截面至18号截面腹板厚50厘米。箱梁底板厚除0号梁段外，其余各梁段底板，从箱梁1号截面根部以1.5次抛物线渐变至跨中截面30厘米厚。

2 采用有限元软件对大渡河特大桥分析

为了能准确、直观的模拟预应力混凝土变截面箱形梁桥0号块的真实受力特征，根据不同的需求直观、全面的反应桥梁结构在施工过程中的位移、应力状态，又为了减少建模工作量和计算机的计算工作量。本论文首先采用大型通用有限元软件Midas Civil建立预应力混凝土连续梁整体模型分析出各施工阶段的桥梁整体受力情况（内力、应力及变形），获取桥梁各个单元的受力情况，桥梁的整体线形等情况；然后计算局部特殊部位的应力分布情况就采用桥梁非线性及细部分析软件Midas FEA对局部结构进行实体建模分析，局部结构模型的荷载并根据Midas Civil软件计算出的截面内力进行加载，详尽、直观的分析0号块的位移、内力及应力分布等情况，可以准确、直观、全面的分析出桥梁的各个部位受力情况。

3 采用Midas Civil建立大渡河特大桥连续梁整体模型

为了能准确分析出大渡河主桥全桥的各个施工阶段下结构的整体受力和位移变化情况，本论文借助Midas Civil大型有限元分析程序，采用梁单元来进行全桥施工仿真模拟分析，利用软件自带的三维空间建模功能模拟其预应力钢筋和非预应力钢筋，在施加预应力时，软件会考虑到管道摩擦对预应力钢筋的影响，同时软件会自动计算出施加在桥上的有效预应力。

3.1 单元划分

大渡河特大桥为空间三维立体结构，由于其结构复杂，为了能满足空间整体计算的目的和要求，本文对于主体结构采用空间梁单元模拟。将大桥结构离散化，即将结构离散为空间杆系梁单元的集合体，单元划分在原有施工节段的基础上划分，全桥模型共有89个节点，86个空间杆系梁单元，184束预应力钢束，结合主桥施工过程，全工程分为24个施工阶段，本模型采用软件MIDAS/Civil 2011（V7.0.9版本）进行模拟计算。见图2至图3。

3.2 材料参数

Y型刚构空间有限元模型中各项材料参数列如表1。

3.3 边界约束条件

主墩均在承台顶部固结，主墩与主梁采用弹性连接，其SDx、SDy和SDz均设为9806650000 KN/m，边跨现浇段支座设为一般支承，分别约束Dy、Dz及Rx、Rz。

3.4 结构作用荷载

结构自重：根据材料参数与单元特性计算。

预应力：对于连续箱梁预应力束，根据其真实空间位置和形状转换成等效荷载计算。在Midas Civil软件中直接在荷载/预应力荷载中输入预应力钢束形状和钢束特征值即可。按照设计图纸，各种预应力规格、张拉控制应力详见表2。

在连续梁整体计算过程中，计算内容包括：自重作用、预应力荷载、二期恒载、运营等作用下的恒载内力。

4 采用非线性软件Midas FEA对0号块和1号块进行建模

本论文根据连续梁0号块的特殊空间结构，为了准确、直观的了解其内部结构的受力情况，本文采用有限元软件Midas FEA对0号块和1号块进行实体建模分析，分析其在整体结构作用下的局部的内力、变形情况。

1）外荷载模拟：先对1号块端面定义刚臂，对断面创建节点进行刚化处理，然后利用Midas Civil软件计算出来的节点内力进行加载。本实例取中跨合拢前悬臂受力状态的施工计算结果进行取用，根据施工结果可知：1号块2号单元的j端内力：轴力= -230502.32 KN，剪力-z=-9114.22 KN，弯矩-y=69601.51 KN*m；21号块单元的i端内力：轴力=-205232.62 KN，剪力-z=-11592.67 KN，弯矩-y=-35741.88 KN*m；分别加载模型中。

2）计算假定：在进行分析线性分析时，当施加荷载后梁受弯，假钢筋和混凝土有足够的粘结，无相对滑移。

3）边界条件：为了减少分析内存，重点分析0号块1号块的内部应力，本模型的边界条件设定在0号块底部支座的所有节点，并约束X、Y、Z等方向的位移。

4）单元及材料属性：连续梁0号块和1号块采用三维实体模型模拟混凝土的性能，预应力钢筋采用空间线单元模拟，其材料特性见表2。

5）网格划分：主梁实体单元网格划分按照FEA自动网格划分功能进行，划分尺寸为0.4m，钢筋按照FEA自动网格划分时划分为10段以保证划分后的钢筋符合实际情况。由于Midas FEA自动实现实体混凝土单元与预应力钢筋之间的耦合功能，其预应力建模就比较方便，大渡河0号块和1号块有限元模型见图3、图4。

5 大渡河特大桥模型计算分析结果

5.1 大渡河特大桥在Midas Civil模型中的计算结果

对结构模型运行分析后，从分析结果的图示中可以直观反应各阶段的位移图、应力分布情况，本文只取CS23施工工况下的计算结果进行演示，其施工阶段计算结果的内力图及内力数据表分别见图5、图6。

5.2 大渡河特大桥0号块和1号块在Midas FEA模型中的计算结果

本论文只计算了在最不利CS23施工阶段作用下0号块1号块结构的内力分析，根据计算结果，其应力及预应力钢筋计算结果详见图7、图8。

6 结束语

采用不同计算方式的桥梁施工仿真分析计算不仅能对各个施工阶段结构的内力、位移变化状态进行描述，反映出整个施工过程中的受力行为，而且还能分析特殊结构的实体的内部应力分布情况，更直观的了解其内部受力状态，为施工控制提供参考，防止在施工过程中的对结构的施工荷载加载不当引起安全隐患。通过有限元软件进行正确的分析，结合现场实际的施工方案，实际施工荷载的加载行为，准确模拟并计算出特殊结构的受力行为，认真分析计算结构，仿真分析是桥梁施工控制中的重要环节，其计算结果和监测结果互相补充，以指导施工的安全、顺利进行。同时还可以通过施工前的仿真分析，了解结构的受力状态，以便合理布置施工荷载和布设方式，为更有效的获得关键部位的应力数据做好准备。

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