桥梁软件应用 实例6―建模助手做悬臂法桥梁施工阶段分析

实例6——建模助手做悬臂法桥梁施工阶段分析Page2概要预应力箱型梁桥(PSCBOXBridge)的施工工法一般有顶推法(ILM)、悬臂法(FCM)、移动支架法(MSS)等。悬臂法是由桥墩向跨中方向架设悬臂构件的方法，该工法不用水上作业，也不需要架设大量的临设和脚手架，因此可以灵活使用桥下空间。另外，因为不直接与桥下河流或道路接触，因此被广泛使用于高桥墩、大跨度桥梁中。使用悬臂法(FCM)施工的预应力箱型梁桥，因为各施工阶段的结构体系不同，所以只有对各施工阶段做结构分析才能最终确定截面大小。另外，为了正确分析混凝土材料的时间依存特性和预应力钢束的预应力损失，需要前阶段累积的分析结果。本实例中我们主要学习使用悬臂法桥梁建模助手建立悬臂法(FCM)各施工阶段和施工阶段分析的步骤，以及确认各施工阶段应力、预应力损失和挠度的方法。实例中的桥梁为按悬臂法施工的现浇桥梁。Page3竣工后的桥梁模型Page4一、桥梁基本数据及一般截面桥梁类型:三跨预应力箱型连续梁桥(FCM)桥梁长度:L=85.0+130.0+85.0=300.0m桥梁宽度:B=12.7m(2车道)斜交角度:90˚(正桥)悬臂法(FCM)的施工顺序如右侧流程图。实例中悬臂法桥梁为三跨连续梁使用了4台挂篮(F/T)，因此不必移动挂篮。Page5275교량시점300.550130.00085.00085.000275교량종점2.70040.0007.000桥梁始点桥梁终点纵向剖面图OFBOXLC4501.2501.8501.8501.2504507.1002502502503252755.6808507.130250350801.8402602.700250350801.0501.7504501.7501.3501.3501.7504501.7501.05012.7006002.0003.5005003.5002.000600250275标准截面图Page6150.00019.00012@4.750=57.000567891011121.000φ6˝-19P12.00012@4.750=57.0007.0007.0001211109876543211234상부강연선하부강연선CLφ6˝-19φ6˝-19일단긴장양단긴장일단긴장양단긴장일단긴장주두부FCM구간FCM구간FSM구간KeySegKeySeg一端张拉两端张拉区段区段零号块区段合龙段合龙段下部钢束上部钢束一端张拉两端张拉一端张拉钢束布置简图Page7悬臂法施工阶段分析应该正确反应桥梁的施工顺序。施工阶段分析中各施工阶段的定义，在MIDAS/CIVIL里是通过激活和钝化结构群、边界群以及荷载群来实现的。下面将MIDAS/CIVIL中悬臂法桥梁施工阶段分析的步骤整理如下：1、定义材料和截面2、建立结构模型3、定义并构建结构群4、定义并构建边界群5、定义荷载群6、输入荷载7、布置预应力钢束8、张拉预应力钢束9、定义时间依存性材料特性值并连接10、运行结构分析11、确认分析结果2-8步骤，悬臂法建模助手可以自动生成Page8二、使用的材料及其容许应力2ci'cacm/kgf5.148=f55.0=f2ci'tacm/kgf1.13=f8.0=f2ckcacm/kgf0.160f4.0f2cktacm/kgf0.32=f6.1=f容许应力施加预应力初期预应力损失之后压缩张拉设计强度：初期抗压强度：弹性模量：Ec=3.07×105kgf/cm2容许应力：2ckcm/kgf400=f2cicm/kgf270=f1、上部结构混凝土设计强度：弹性模量：Ec=2.35×105kgf/cm22kgf/cm270ckf2、下部结构混凝土Page92pymm/kgf160=fstrand/tonf6.22=Py2pumm/kgf190=fstrand/tonf6.26=Pu2cm7.138pA26kgf/cm100.2pEmm6=sΔ3、预应力钢束(KSD7002SWPC7B-Φ15.2mm(0.6“钢束)→抗拉强度：→截面面积：弹性模量：张拉力：fpi=0.72fpu=137kgf/mm2顶/底板束：钢束与孔道壁的摩擦系数(0.2/0.3)，孔道每米长度局部偏差的摩擦系数(0.001/0.0066)钢锯变形及钢筋的内缩值：0.006m屈服强度：锚固装置滑动：容许应力：pof2pymm/kgf144=f9.02pumm/kgf133=f7.02pymm/kgf128=f8.0张拉时的最大控制应力张拉初期()应力损失后使用状态Page101、永久荷载结构重力自重：在程序中按自重输入二期恒载w=3.432tonf/m三、荷载)(-0)(kLXePP钢束(φ15.2mm×19(φ0.6-19))截面面积:Ap=1.387×19=26.353cm2孔道直径:100/103mm张拉力:抗拉强度的72%fpj=0.72fpu=13680kgf/cm2Pi=Ap×fpj=360.5tonf张拉初期的损失（程序自动计算）摩擦损失:2、预应力荷载30.0=μ006.0k底板束:20.0001.0k顶板束:Page11mm6=IΔc锚固装置滑动引起的损失:SPPEAfP混凝土弹性收缩引起的损失:损失量预应力长期损失（程序自动计算）钢束的松弛（Relaxation）徐变和收缩引起的损失水泥:普通硅酸盐水泥长期荷载作用时混凝土的材龄:t0=5天3、徐变和收缩混凝土与大气接触时的材龄：ts=3天相对湿度：RH=70%大气或养护温度：T=20℃适用规范:道桥设计标准CEB-FIP徐变系数:程序计算混凝土收缩变形率:程序计算条件Page124、挂篮荷载假设挂篮自重如下：P=80.0tonfe=2.50mM=P×e=200.0tonfePM挂篮自重Page13一、定义材料和截面定义材料和截面之前要先设置单位体系1、上部结构的材料特性类型混凝土规范KS-Civil(RC)数据库C4002、下部结构的材料特性类型混凝土规范KS-Civil(RC)数据库C2703、预应力钢束的材料特性名称(钢束);类型用户定义;规范None分析数据弹性模量(2.0e7)线膨胀系数(1.0e-5)材料的定义Page14截面的定义1、预应力箱形截面预应力箱型截面的特性在悬臂法建模助手中定义，不必在此另外定义。2、桥墩的截面特性数据库/用户表单截面号(1);名称(桥墩)截面形状实心矩形;用户H(1.8),B(8.1)Page15二、使用悬臂法建模助手建模悬臂法建模助手由模型、截面、钢束三个表单组成。1、输入模型数据在悬臂法建模助手的模型表单中，主要完成的工作：（1）定义桥梁的材料、基本数据；（2）桥梁段的划分(参见word中图10)；（3）零号块的大小、桥墩类型和尺寸等；（4）定义每个桥梁段的施工持续时间(12天)。这里，将支膜和绑扎钢筋、布置钢束管道的时间定为7天，浇筑混凝土以及养护的时间定为5天，因此将施工一个桥梁段的时间设定为12天。Page16悬臂法建模助手的模型表单选择半径开关并输入半径，即可建立曲线变截面悬臂法桥梁模型。Page17悬臂法的施工工期与桥墩数量和投入的作业车辆(挂篮等)有关。因为各桥墩的悬臂部分并不是同时施工的，所以施工合龙段时合龙段两侧悬臂桥梁段的混凝土材龄是不同的。由于两侧悬臂桥梁段混凝土材龄的差异，引起同一施工阶段内施工的悬臂桥梁段的徐变和干缩以及预应力钢束的预应力损失量的差异。也就是说，施工合龙段时合龙段两侧的截面应力和位移是不同的，施工阶段分析时一定要考虑到这种情况。在MIDAS/CIVIL中，通过施工阶段时间荷载功能决定单元的材料时间依存特性，合龙段两侧桥梁段的材龄差异，由施工完两桥墩的零号块之后，施工第一个桥梁段的时间差异来体现。在施工工序计划表的预定施工工序中以一行为15天来表示施工桥梁所需时间以及预定的工序。根据预定的工序，两桥墩第一个桥梁段的开始施工时间差为60天。点击，输入两桥墩零号块的施工时间差。Page18混凝土是具有时间依存特性的材料，混凝土的强度、徐变和干缩系数都随时间而变化。混凝土的材龄越小，混凝土的时间依存特性值的变化越大。在施工阶段分析中，因为混凝土一般都处于早期材龄状态，为了正确地反映混凝土的材料时间依存特性，需要正确输入混凝土初始材龄的信息。初始材龄是指在混凝土养护期间拆模之后，开始施加持续荷载时的混凝土材龄。程序将利用输入的初始材龄计算混凝土的弹性系数、徐变系数、干缩系数。主要构件的初始材龄从施工工序计划表中构件的施工持续时间里扣除支模和绑扎钢筋所需时间而得。FSM区段:60天合龙段(KeySeg.):10天零号块:15天一般桥梁段:5天桥墩:100天点击，输入各主要构件的初期材龄。Page192、输入预应力箱型截面数据为了能承受悬臂法施工时的弯矩和剪力，FCM桥梁的截面一般设计成支座截面高于跨中截面的变截面梁。在悬臂法建模助手中，用户只需输入跨中截面和支座处截面，程序将自动生成截面高度按二次方程变化的曲线桥梁。参照下页梁的截面图形输入截面尺寸。输入完截面尺寸以后在查看选项中选择实际截面，可以观察到实际输入的截面形状。挂篮的荷载应该输入包含模板的重量以及偏心距离，程序将自动转换成垂直荷载和弯矩。如果选择考虑混凝土湿重的话，则在支模和绑扎钢筋之后(默认为从桥梁段的施工持续时间中扣除桥梁段的初期材龄时间)，程序将自动施加混凝土湿重。在结构体系不变的情况下，如果已经施加挂篮荷载(包括模板重量)而由于不可知的原因没有立即施加混凝土湿重时，不需要另外建立施工阶段，只需利用添加步骤功能输入一个步骤即可。挂篮荷载(包含模板荷载)考虑混凝土湿重(开)P(80);e(2.5)Page20OFBOXLC4501.2501.8501.8501.2504502502503252755.9008502503502.1902602503501.0501.7504501.7501.3501.3501.7504501.7501.0502751.0501.7501.0501.750可以确认截面形状Page213、预应力钢束的布置在预应力钢束表单中输入钢束在横截面上的位置以及在各桥梁段锚固的钢束数量。输入了钢束在各横截面上的位置以及锚固数量后，程序将自动生成预应力钢束的形状。预应力钢束在横截面方向上的布置在建模助手中只能按等间距布置，因为预应力钢束在横截面方向的间距对整个施工阶段分析的结果影响不大，所以当钢束在横截面方向上的布置不是等间距时，可以输入各钢束距离的平均值。边跨和中间跨预应力钢束的布置图见下面图16、17。Page22钢束表单预应力钢束和预应力(开)截面类型单箱单室H1(0.17);H2(0.32);H3(0.29);H4(0.14)W1(0.1);W2(0.1);W3(0.06);S(0.175)DX1(0.1);DY1(0.3);DX2(0.1)DY2(0.3);DX3(0.3);DY3(0.19)相等(开)N1(7);N2(3);N3(6);N4(3);N5(2)N6(7);N7(2);N8(5)Page234@175=7004505@175=8754506@175=1.05060100100170150300300190140150450图16边跨预应力钢束的布置图Page246@175=1.0504505@175=8754506@175=1.05060100100170150300300190140150450图17中间跨预应力钢束的布置图Page254、输入预应力钢束的特性值和预应力钢束的张力因为顶板束和底板束的预应力损失量不同，所以应分别定义顶板束和底板束。钢束张力设定为极限强度的72%。因为底板束的锚固位置有可能不在桥梁段的端部而在任意的位置，因此将底板束的锚固位置定义为与桥梁段的比例长度。Page26输入钢束特性值（顶板束/底板束）荷载/预应力荷载/预应力钢束的特性值预应力钢束总面积(0.0026353=1