钢管混凝土叠合柱屈曲分析及施工技术研究.pdf
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1、7 4 世 界 桥 梁 2 0 1 4 , 4 2 ( 4 ) 钢管混凝土叠合柱 屈 曲分 析及 施工技 术研 究 王毅 。 程波 , 谢波 , 周 松 国。 ( 1 浙江省 长 兴县 交通运 输局 , 浙 江 长 兴 3 1 3 1 0 0 ;2 浙江 工业 大学建 筑 工程 学院 , 浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 ; 3 温 州路 港集 团有 限公 司 , 浙江 温州 3 2 5 0 1 4 ) 摘要 : 腊八斤特 大桥 主桥 为连续 刚构 , 采用钢管混凝土叠合柱桥墩 ( 由 4根外侧包裹钢筋混凝土 的钢管混凝 土柱组成 , 柱之 间采用钢筋混凝土腹板连接 , 桥墩为内部空心结构
2、) , 最高桥墩高 1 8 2 6 4 m。为给高墩 的施工及质量控 制提供 理论依据 , 采 用 AB AQUS和 MI DA S软件 对高墩进 行屈曲和受力分析 , 研究墩 顶施 工偏 差和支撑对高墩极 限承载力 的影 响。结果表 明 : 桥墩 极限承载力随墩顶施工偏差 的增 大而不断减小 ; 横撑 和斜撑对 高墩 的整体稳 定极 限承载力 影响较小 。为减少 施工过 程对桥 墩极 限承 载力 的影 响 , 保证墩身线形和施工质量满足要求 , 研究了高墩施工技 术 , 即采 用全站仪 和激光垂 准仪开展 高墩 中心 、 垂直度及 高程 监测 , 采用高抛免振捣 、 对角线对称浇筑 混凝土
3、和钢结 构高空 吊装等施 工技术 。实桥应用 表 明, 实 际累计施 工 偏差 约为 0 0 7 2 m, 满 足施 工过程中高墩线形及其它质量控制要求 。 关键 词 : 连 续刚构桥 ; 桥墩 ; 钢 管混凝 土叠合 柱 ; 屈 曲分析 ; 施 工偏差 ; 应 力; 有限元法 ; 高空 吊装 ; 高抛免振混凝土 中图分类号 : U4 4 3 2 2 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 7 4 0 5 1 引 言 随着 重 点 发 展西 部 地 区 战 略方 针 的实 施 , 近年 来西 部地 区 的桥梁 建设 事业 得到
4、 了蓬 勃发 展 。在西 部地 区山高 、 坡 陡 、 水 深 、 流 急 的地 方 修 建跨 越 深 谷 的桥 梁 , 桥 墩 通 常很 高 , 有 的 甚 至 超 过 1 0 0 m, 而且 桥 墩 的构 造 形式 也趋 于多 样化 。 钢管 混凝 土 叠合 柱抗震 性 能好 、 承 载力高 , 在 高 烈 度地震 地 区建 设 具 有 一 定 的优 势_ 1 , 如 于 2 0 0 1 年 修建 的重 庆奉 节 梅 溪 河 桥 和 2 0 0 5年 修 建 的 四 川 巫 山 长 江 大 桥 , 桥 墩 都 是 采 用 钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 “ 。这些工程应用加快 了钢管混凝土
5、叠合柱 的 理 论研 究 , 在钢 管混 凝土 叠合 柱承 载力 计算方 面 , 徐 兴 等 采 用 i 维虚 拟 层 合 单元 法 , 对 纯 混凝 土 轴 心 受 压构 件 和 圆钢管混 凝 土在轴 向荷 载作 用下 产生 的 稳 定 承载 能 力 和 材 料 承 载 能 力 问 题 进 行 了分 析 比 较 。严志 刚等 建 立 三 维 钢管 混 凝 土 梁 单 元 , 采 用 双线性 随 动硬 化模 型 模 拟 钢 管 的本 构 关 系 , 对 钢 管 混凝 土 构 件 进 行 了荷 载 变 形 关 系 全 过 程 分 析 。 Ha j j a r 等l_ 7 采用纤 维模 型 法对
6、钢管混 凝 土构 件在 压 弯荷 载作 用下 的极 限承 载 力 进行 计 算 , 分析 了钢 材 和混 凝土 强度 及截 面 宽厚 比等参 数对 压弯 构件 轴力 弯矩 曲线 的影响 。S v e n s s o n等 采用数值方法 得 出 了考 虑 施 l丁偏 差 的 钢格 构 柱 的荷 载 位 移 曲 线 , 所研 究 的施 工偏 差 包 括 整体 和 局部 几 何 施 工 偏 差 。为给 钢管混 凝 土叠合 柱 高墩 的施 T及 质量 控制 提供 理论 依据 , 本文 以腊 八斤 特大 桥为 背景 , 在 现有 文献 基础 上 , 采用 有 限元 法 进 行 高 墩 屈 曲和受 力分
7、析 , 研 究墩 顶施 工偏 差 和 支撑 对 高 墩 结 构极 限 承 载 力的影响; 结合分析结果进行高墩施工技术研究。 2工 程概 况 腊八斤特大桥位于荥经县凰仪 乡境 内, 主跨为 变 截面连 续 刚构 , 主桥 长 6 1 0 m, 共设 5个 钢管 混 凝 土 叠合 柱桥 墩 ( 见 图 1 ) 。其 中 1 O号桥 墩 高 1 8 2 6 4 m, 桥墩 内倾 坡度 为 7 0: 1 , 桥墩 内 4根 钢 管 混 凝 土 的直径 为 1 3 2 0 mm, 外侧 包裹 厚度 为 1 0 0 mm 的钢 筋 混凝 土 , 总直 径为 l 5 2 0 mm。4根 钢 管 混凝 土
8、之 间采用 钢筋 混凝 土腹 板连 接 , 腹板 的厚 度 为 0 5 m。 整 个 钢管混 凝 土叠合 柱是 个 内部空 心 结 构 , 每 隔 1 2 m 设 置 1 道 横隔板 ( 横 隔板 的厚 度 为 0 3 6 m) , 以增 强桥 墩 的整 体 稳 定性 。在 腹板 的 四周 , 每一 层 横 隔 板处都 布 置 有 横 撑 和 斜 撑 ( 材 料 为 Q2 3 5 一 B钢 材 ) , 截 面大小 为 0 2 m0 2 m0 0 0 6 m。腊 八斤 特 大 桥 1 O号桥 墩 如图 2所示 。 收 稿 日期 : 2 0 1 3 0 7 1 5 基金项 目: 国家 自然科学基金
9、项 目资助( 5 0 9 0 8 2 1 1 ) ; 浙江省交通厅资助项 目( 2 0 1 0 H1 7 ) ; 浙江省 自然科学基金 资助 ( I Y1 3 E 0 8 0 0 1 4 ) 作者简介 : 王毅( 1 9 7 6 一) , 男 , 高级 工程师 , 2 0 0 5年毕业于重庆交通学院交通土建专业( E ma i l : 4 0 1 1 4 9 9 7 4 q q c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢管混凝土叠合柱屈曲分析及施 工技术研究 王毅 , 程波 , 谢波 , 周松国 7 5 1 0 号 单位 :m 图 l 腊 八 斤 特
10、 大 桥 主 桥 立 面 布 置 示 意 单位:m 图 2腊 八 斤 特 大 桥 1 0号桥 墩 3钢 管 混凝 土叠合 柱屈 曲分 析 在钢 管混 凝土 叠合 柱高墩 施 工过程 中产 生 的误 差将导致墩身整体发生一定程度的弯 曲, 这种弯 曲 在一定程度上会影响到桥墩的极限承载力。当采用 有 限 元方法 进 行分 析 时 , 假 设 钢 管在 安 装 过 程 中发 生 了施工 偏 差 , 利 用 AB AQUS有 限元 软 件计 算 屈 曲模 态对应 的特征值 来 引入施 工偏 差 。研究 结果 表 明_ g : 对缺 陷不 敏感 的结构 或 构件 , 在分 析 施工 偏 差影 响 时只
11、需 考 虑 1阶屈 曲模 态特 征 值 乘 以 1 1 0 得到 的施 工偏 差值 ; 然后 将 偏 差 值 加入 桥 墩 模 型 进 行非线性后屈曲计算分析, 生成桥墩顶 部参考点的 荷载位移曲线, 并计算 出钢管混凝 土叠合柱高墩 的极限承载力 。本文以 1 O号桥墩为研究对象, 基于 此理 论开 展钢 管混 凝土 叠合 柱施 工偏差 的影 响分 析 研究 。 3 1 AB AQUS模型 的建 立 利用 AB AQUS软 件 , 采 用 在 I N P文 本 文 档 中 输入模型参数的方法建模 , 腹板采用板壳单元模拟, 钢管 混凝 土采 用梁 单元 模拟 , 竖 向分布 2 0 0个单元
12、 , 横 向分 布 7 个 单元 , 每根 钢 管划分 为 2 0 0个 单元 , 单 元 总数 为 6 4 0 0个 。 3 2 特 征值 屈 曲分析 在 特 征值 屈 曲分析 中 , 不 考 虑 构件 材 料 非线 性 和初 始 扰动 , 只考 虑弹性 状 态下 的本 构关 系 , 根 据 1 阶屈 曲模 态特 征值 得 到 初 始 偏 差 ; 然后 采用 非 线 性 本构 关 系进 行 构 件 的后 屈 曲分 析 。其 中 1阶屈 曲模 态特 征值 的计 算公 式 为口 : ( K + s ) 一 0 式中, s 为应力刚度矩阵 ; K 为刚度矩阵 ; ) 为 位移特征值矢量 ; 为特征
13、值 。 3 3 非线 性后 屈 曲分析 在非 线 性后 屈 曲分 析 中 , 极 限承 载 力计 算 分 别 考虑 了 钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 顶 部 不 偏 移 , 偏 移 0 1 , 0 2 , 0 4 , 0 6 , 1 0, 2 0, 4 0, 1 0 0 , 5 0 0 m 共 1 O种 工况 。根据 这些 工 况 的计 算 结 果 , 可 以得 到 极 限 承 载力 随施工 偏差 的变 化 曲线 ( 见 图 3 ) 。 至 瞄 肇 1 O 2 O 3 O 4 0 5 O 施工偏 差 m 图 3极 限承 载 力变 化 趋 势 由图 3可 以看 出 : 当 叠 合 柱顶 部 偏
14、 差 为 0 1 m 时 , 极 限承 载 力 减 小 1 9 ; 当 叠 合 柱 顶 部 偏 差 为 2 0 m 时 , 极 限 承 载 力 减 小 3 8 8 ; 当叠 合 柱 顶 部 偏差 为 1 0 0 m 时 , 极 限承 载力 减小 9 4 4 , 基本 已 经丧 失 承载 能力 。说 明随着 钢管 混凝 土叠 合柱 桥墩 顶 部施 工偏差 的增 大 , 极 限承载 力逐 步减 小 。 上 述分 析充分 说 明钢 管混凝 土叠 合柱 发生 弯 曲 后 对极 限承 载力 的影 响非 常大 , 所 以在 实 际施 工 过 程 中, 要 严格 控制 钢管 混凝 土 的施工 偏差 , 防止
15、 钢管 混凝土叠合柱发生弯曲。 3 4支撑对 叠合 柱极 限承 载力 的影 响 通 过 有 限 元 计 算 可 得 钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 的 N N 随 。 A 厂 N 变 化 的 曲 线 ( 见 图 4 ) , 其 中 N 为 4肢 钢管 混凝 土格 构 柱 稳 定 极 限 承载 力 , N 为 柱 肢 短 柱 极 限 承 载 力 , 。 A: 厂 , 为斜 撑 与 柱 肢 轴 压 强 度 比 值 。 由 图 4 可 以 看 出 ,当 。 A _厂 N 较 小 时 ( 1 3 0 ) , 对 N N 的影 响 较 大 , N2 N 随 声 A 厂 N 的增 大而 迅速增 大 ; 当
16、 A。 f N 1 3 0时, N N 虽 然 仍 随 。 A 厂 N 的增大有增 大趋 势, 但是增加 的斜率 已大大降低 。这主要是 因为 A。 厂 N 较小 时, 钢 管混 凝土 柱 因斜撑 失 效 而 破 坏 , 因此 在 此 范 围 内 增 加斜 撑 的强度 可 以有效 提高 钢管 混凝 土柱 的极 限 渤 枷 姗 瑚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 世 界 桥 梁 2 0 1 4 , 4 2 ( 4 ) 图 4斜 撑 对 桥 墩 极 限 承载 力 的 影 响 承 载力 ; 而 当 。 A 厂 N 超 过 0 0 4 , 斜 撑 不 会 发 生
17、局 部破 坏 , 钢管 混凝 土柱 最终 因整 体失 稳而 破坏 , 斜撑 的强 度 对钢管 混凝 土柱 整 体稳定 极 限承 载力 有 一 定 的促进 作用 , 但 增 大 其 强 度 对 提 高钢 管 混 凝 土 柱 极 限 承 载 力 不 明 显 。分 析 可 知 , 横 撑 的 强 度 对 钢 管 混凝 土 柱 的 稳 定 极 限 承 载 力 影 响 很 少 , 可 以 忽 略 。 4上 部结 构施 工对 高墩 的影 响分 析 4 1 MI D AS模 型的 建立 采 用 MI DAS C i v i l 计 算 软 件 模 拟 实 际 施 工 过 程 , 进 行上 部结 构施 _T的
18、计算 分 析 。计 算 时 , 上 部结 构和 下部 墩柱 均采 用 梁 单 元 模 拟 , 并 考 虑 了结 构 自 重 、 预 加力 、 施 T挂 篮 以及上 下部 结构 所受 的风 荷载 等荷 载作 用 , 成 桥状 态计 算模 型 如 图 5所示 。 图 5计 算 模 型 计算 时 , 挂篮 荷载 在梁 端 近似简 化成 1个 1 0 0 0 k N 的集 中力 与 1 个 2 6 0 0 k N m 的集 中力 偶 。 4 2结 果及 分析 在悬 臂 现浇施 工 中 , 由于施 工技 术 的原 因 , 可 能 会出现施工进度不同步、 挂篮等施工设备故障以及 预 应力 张拉不 到位 等
19、 不利施 工状 况 。为 了分析 不利 施工状况对施工中结 构受力 的影响程度, 分别对施 工 中挂 篮 的掉落 、 不对 称悬 臂 浇筑 、 预应 力张拉 不 到 位 的不利 工 况及不 同合龙顺 序 下叠合 柱 的受力 进 行 了分 析 , 结 果 如表 1 所 示 。 表 1 各 施 工 工 况 下 结 构 的 最 大 位 移 和 应 力 注 : z为顺 桥 向 , z为 竖 向 。 由上述 结果 对 比可 以 看 出 , 各施 工 工况 下 结 构 均产 生 了位 移 , 其 中挂 篮 掉 落 工 况 下结 构 的位 移 达 1 9 1 7 c l n , 在施 工时 应进 行专 项控
20、 制 , 以避 免 出现挂 篮掉落 情况 ; 各 施工 工 况 对 墩 底 应 力 的影 响差 别 不 大 。分析 还发 现 , 对 于该 桥 应 选 择 先 边 跨 后 中跨 合 龙 的施 工 步骤 , 因为 这样 结 构 产 生 的不 均 匀位 移较 小 , 是 合理 的合 龙 施 工 顺 序 。对 于 施 工 中 已产 生 的 施工偏 差 , 应采 用对 称施 工 的方法 予 以纠 正 , 同时确 保预 应力 张拉 到位 。 5 超 高钢 管 混凝 土 叠合柱桥 墩 施工 技 术研 究 由非 线 性 后 屈 曲分 析 可 知 , 墩 顶施 T 偏 差 对 钢 管混 凝 土叠合 柱 高 墩
21、 的极 限承 载 力 的影 响 非 常 大 , 所 以在实 际施 工过 程 中 , 要 严格 控制 墩 顶施工 偏 差 , 防止 钢管 混凝 土叠 合 柱高墩 发 生弯 曲 。因此 浇筑 混 凝土和控制墩身线形是钢管混凝土叠合柱桥墩施工 过 程 中的关 键工 序 , 本 文提 出了高抛 免 振捣 、 对角 线 对称 浇筑 混凝 土 、 全 站 仪 和 激 光垂 准仪 联 合 测 控 墩 身线形及钢结构高空 吊装等技术对施工过程进行优 化 , 以提 高施 工质 量 和效率 。 5 1 全 站仪 和激 光 垂准仪 联 合测控 墩 身线 形 桥墩 中心定 位 采 用 三 维 坐标 控 制法 。施 工
22、 前 , 将全 站仪 架设 在控 制 网 的布控 点上 进行 桥墩 中心 定 位 , 直接 测定 四边 外模 中心坐标 , 并 与计 算 坐标进 行 比较, 以确定水平位置及 轴线偏移 , 从而指 导模板 调差 。 垂直 度 测量 采用 激光垂 准 仪及 全站 仪 2种仪 器 双重校核。节段钢管浇筑混凝土前 , 以承台为基准 面 , 沿墩 身外 侧顺 桥 向对称 设 置 4条基 线 , 并 将 节段 的投影 点作 为垂 准仪 架设 仪器 的基 准点 。施 _T中定 期采 用 全站 仪在 布控 点上进 行 墩身 位置 复核 。 O 0 0 0 0 O z 学兔兔 w w w .x u e t u
23、 t u .c o m 钢管混凝土叠合柱屈曲分析及施工技术研究 王毅 , 程波 , 谢波 , 周 松国 7 7 如 果 顶 口出现 施 工偏 差 , 可 采 用 以下 措 施 对每 一 节段 钢管 进行 纠 偏 , 使 每节 段 钢 管 均 满 足设 计 规 范要求 。 ( 1 )第 N( N 2 ) 节 段 钢 管安 装 时 , 在 第 N一 1 节段钢 管顶 口精 确放 样 , 找 出设 计 中心点 , 以此 点作 为第 N 节段钢管底 口中心控制点 。 ( 2 )测量放出第 N节段钢管顶 口中心点, 通过 型钢支 架上 调节 螺 杆调 节 钢 管 顶 口, 调 整 到位 后 固 定 ,
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- 钢管 混凝土 叠合 屈曲 分析 施工 技术研究
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