深安黄河大桥v形墩施工方案优化研究

深安黄河大桥v形墩施工方案优化研究

1贸易桥v形墩兰州深安黄河大桥主桥采用下架式蝶形拱桥（见图1），全长156m，宽36.5m。钢-混凝土结合梁高3.5m，悬索距离8m。主柱采用v形墩（v形墩在刚桥中使用较多，但拱桥很少使用）。该桥V形墩(见图2)顺桥向外形呈花瓶形,与主拱线形顺接。V形墩为圆弧线形空心墩,墩顶部通过预应力系梁连接。V形墩墩高13.016m,横桥向宽5m,顺桥向顶长24m,底长10m。靠近引桥侧V形支腿外轮廓截面尺寸为4m×5m(纵×横),四周设1.0m×0.5m倒角;内腔壁为直线形,顺桥向壁厚0.752~1.264m,横桥向壁厚1m,内腔四周设0.3m×0.3m倒角。靠近主桥侧V形支腿外轮廓截面尺寸为5.05m×5.00m(纵×横),四周设1.0m×0.5m倒角。墩顶系梁高1.2m,宽4m,为预应力混凝土构件,设置10根ue788s15-12预应力钢束。V形墩采用C50抗冻混凝土。2几何模型及有限元模型的建立一般刚构V形墩的施工方法比较成熟,该桥V形墩施工借鉴了类似工程经验。V形墩施工分5次浇筑,第一次浇筑高度为4.2m(第一节模板与第二节模板累计高度);第二次浇筑高度为4.4m(第三节模板与第四节模板的累计高度);第三次浇筑高度为2.2m(第五节模板高度);第四次浇筑高度为2.216m(第六节模板高度),但系梁处需留宽50cm的后浇带;第五次浇筑后浇带,施工前需将V形墩支腿的竖向支撑拆除,在其自由受力状态下完成后浇带施工。V形墩支腿分3次浇筑成型(不含基座),需设置2道临时预应力钢筋(见图3)。预应力钢筋采用φ25精轧螺纹钢,每道沿V形墩宽度方向布置5根,间距0.9m。预应力张拉采用后张法施工工艺,即在混凝土浇筑前,以φ48的钢管作为预应力孔道,模板相应位置打孔外穿钢管,预应力筋浇筑前从两侧对穿,在V形支腿间利用接驳器连接,必要时需在V形支腿中间设3或4个支承点,并施加一定的初应力,也可兼做模板对拉系统。在V形墩模板的每个支承点处设置双拼φ48×3.5钢管支架,间距按50cm×50cm控制。钢管支架支承在由8根φ600×10钢管柱和贝雷梁组成的支承平台上。3三维仿真模型V形墩施工步骤比较多、施工工艺也相对复杂。利用ANSYS软件建立三维仿真模型,分析每个施工过程V形墩的应力与变形、临时预应力的效应以及支架的内力与变形。其中,混凝土承台、V形墩支腿及系梁均采用Solid45实体单元模拟;施工贝雷梁、支架等均采用Beam4空间梁单元模拟;预应力根据等效荷载法转换为相应节点等效荷载之后施加到结构上。计算模型共计81503个节点、410021个单元,其中实体单元407554个,梁单元2467个。边界条件为承台底截面固结。计算模型单位采用国际单位,混凝土及钢材计算参数均按规范取值。为验证V形墩实体模型的正确性,分别在实体模型和空间梁单元模型中的V形墩系梁中点位置施加1组荷载:FX=1000kN、FY=-1000kN、FZ=1000kN。经ANSYS分析软件计算,实体模型承台底面沿坐标轴3个方向的反力分别为:FX=-10000kN、FY=10000kN、FZ=-10000kN,与施加的外力大小相等、方向相反;计算得到的弯矩为:MX=-124160kN·m、MZ=124160kN·m,与外荷载引起的弯矩平衡。2个模型计算得到的位移比较如表1所示。由表1可知,实体模型和梁单元模型在验证荷载作用下的位移基本相等,由于实体模型考虑了V形墩结构局部实心段的刚度放大作用,因而计算得到的位移比梁单元的略小,符合模型特点。故实体模型计算结果是正确、可靠的,可以用于施工仿真分析。4v型墩施工过程分析由于篇幅所限,本文重点介绍V形墩主要施工工况下的应力与变形,以及支架的受力情况,并给出每个工况下V形墩的混凝土主拉应力云图。4.1混凝土浇筑施工根据V形墩混凝土浇筑顺序及施工临时预应力施加顺序,将主桥V形墩施工全过程仿真分析分为如下8个主要施工工况:(1)工况1为V形墩承台及第一节段混凝土浇筑施工;(2)工况2为V形墩第二节段混凝土浇筑施工;(3)工况3为施加第一道施工临时预应力荷载;(4)工况4为V形墩第三节段混凝土浇筑施工;(5)工况5为施加第二道施工临时预应力荷载;(6)工况6为V形墩第四节段混凝土浇筑施工;(7)工况7为拆掉V形墩支腿支架后,系梁宽50cm后浇带施工;(8)工况8为张拉系梁预应力后拆除系梁支架,V形墩成型。各个工况支架搭设情况以及施工支架及贝雷梁的截面特性均按参考文献选取。4.2施工临时预应力后v形墩应力和位移分布(1)工况1。模型施加荷载为结构自重荷载,无施工支架。V形墩混凝土主拉应力云图如图4所示。根据仿真分析结果可知,该工况下V形墩应力及位移均很小,竖向位移小于0.1mm,最大应力小于0.1MPa。(2)工况2。模型模拟在支架上现浇第二节段混凝土,此时该节段混凝土尚未固化,有自重而无刚度。V形墩混凝土主拉应力云图如图5所示。由结果可知,该工况下V形墩应力及位移均较小,V形墩支腿分叉处应力水平稍高,顺桥向应力约为0.4MPa,主拉应力约为0.6MPa;贝雷梁竖向最大位移约为1.2mm;支架ue788600×10钢管柱的最大轴力为164kN;单组双拼ue78848×3.5钢管最大轴力为9.6kN。(3)工况3。模型施加第一道施工临时预应力(荷载500kN,作用点离承台顶7.1m),此时第二节段混凝土已经固化,参与结构受力,无新增支架。V形墩混凝土主拉应力云图如图6所示。由结果可知,在工况2的基础上张拉第一道施工临时预应力后,V形墩应力及位移均有所减小,V形墩支腿分叉处顺桥向应力减小为0.15MPa,主拉应力减小为0.18MPa;贝雷梁竖向最大位移减小为0.7mm;由于张拉临时预应力减小了施工过程中V形墩应力,降低了V形墩出现裂缝的可能性。(4)工况4。模型模拟在支架上现浇第三节段混凝土,此时该节段混凝土尚未固化,有自重而无刚度。V形墩混凝土主拉应力云图如图7所示。分析结果可知,该工况下V形墩应力及位移略有增大,V形墩支腿分叉处顺桥向应力约为0.5MPa,主拉应力约为0.7MPa,V形墩承台底截面支腿外侧竖向压应力约为1.2MPa;贝雷梁竖向最大位移约为1.1mm;ue788600×10钢管柱最大轴力为98kN;单组双拼ue78848×3.5钢管最大轴力为3.5kN。(5)工况5。模型施加了第二道施工临时预应力(荷载600kN,作用点离承台顶9.9m),此时第三节段混凝土已经固化,参与结构受力。V形墩混凝土主拉应力云图如图8所示。分析结果可知,在工况4的基础上张拉第二道施工临时预应力后,V形墩应力及位移均明显减小,V形墩支腿分叉处顺桥向应力减小为0.06MPa,主拉应力减小为0.1MPa;贝雷梁竖向最大位移减小为0.7mm。可知,张拉第二道临时预应力也对减小施工过程中V形墩的应力起了一定的作用。(6)工况6。模型模拟在支架上现浇第四节段混凝土(留50cm后浇带),此时该节段混凝土尚未固化,有自重而无刚度。V形墩混凝土主拉应力云图如图9所示。由结果可知,V形墩应力及位移较小,但支腿与系梁相连接的三角区出现了一定的应力集中(该处浇筑过程中处于支架边界处,支撑条件有突变),三角区圆弧段出现约1.0MPa的竖向拉应力,圆弧段顶缘出现了0.6MPa的顺桥向拉应力,施工过程中应注意加强保护;贝雷梁竖向最大位移约为1.0mm;φ600×10钢管柱的最大轴力为81kN;单组双拼φ48×3.5钢管最大轴力为2.1kN。(7)工况7。模型模拟浇筑系梁50cm后浇带,所有支架已拆除。V形墩混凝土主拉应力云图如图10所示。分析可知,V形墩应力及位移较小,但在支腿与系梁相连的三角区出现了一定的应力集中,三角区圆弧段出现约1.5MPa的竖向拉应力,圆弧段顶缘出现了0.6MPa的顺桥向拉应力,施工过程中应注意加强保护;贝雷梁竖向最大位移约为0.4mm。(8)工况8。模型施加系梁预应力荷载,施工完成后V形墩混凝土主拉应力云图如图11所示。由结果可知,V形墩除支腿与系梁的三角圆弧区及系梁预应力锚后区由于应力集中有1.2~1.5MPa的拉应力外,基本处于受压状态,支腿分叉区在张拉系梁预应力后,顺桥向及竖向分别有1.0MPa、1.2MPa的压应力储备。5施工结果分析(1)模型验证结果表明,V形墩实体仿真模型是正确可靠的,可以用于施工仿真分析。(2)施工全过程仿真分析表明,V形墩施工过程中各项应力以及变形较小,施工过程出现裂缝的可能性较小。(3)