CN112507413B - 大跨度变截面小半径s曲线连续梁桥应力监测及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁建造技术领域，具体涉及一种大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，本发明运用Midas/Civil软件对大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥有限元模型，模拟桥悬臂施工阶段的各个施工工况，并通过模型的计算得到桥梁各个施工阶段的测点位置的累计应力值。本发明建模过程方便、快捷，操作界面简单，与实际施工过程相符合，除了能够模拟桥梁施工阶段以及各个阶段的工况外，还可以方便的模拟桥梁结构的体系转换以及动态施工过程；结果数据读取方便:完成桥梁的模拟之后，可以方便、快速的模型中提取各个施工阶段以及各阶段工况的内力图和变形图，以及结构各个施工阶段的内力、位移、应力、应变等数值。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁建造技术领域，具体涉及一种大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法。
背景技术
曲线桥梁，通常指桥面中心线在平面上为曲线的桥梁，也称为弯桥。为适应地形地貌复杂的城市和山区，在公路及城市道路的立体交叉工程中，曲线桥梁是实现交通互联的重要桥型之一。较早的有记录可寻的曲线桥出现在一战时期，是德国1914年建造的一座铁路钢桁架桥。20世纪70年代，随着科技进步，预应力混凝土结构得以广泛应用，涌现出一大批优秀的曲线桥梁作品。如瑞士于1974年建成的Cailon桥，法国于1975年建成的LetNaweiliai桥，加拿大于1982年建成的西尔维尓路桥、Bow River桥，美国于1985年建成的Linn Cove Viaduct桥等。日本于1987年建成的青森大桥，全长4000m，为预应力混凝土连续梁桥，最大跨径达240m，最小平面曲线半径却只有40m。随着国内经济不断发展，城市立交、高速公路、铁路工程等均出现大量的曲线梁桥，以适应实际地形地貌的需求，实现交通互联。如北京的四元桥、东便门立交桥、天津市蝶形立交桥、南京中央门立交桥、广州庄区立交桥、中山门立交桥、深圳北环立交桥等。其中，1986年修建的青岛铁港立交桥是我国第一座预应力混凝土曲线桥，全桥总长344.81米，最小平曲线半径为78米，竖曲线半径为1700米，桥面直线段宽度为20.50米，曲线段桥面宽为24.50米。进入21世纪，四川干海子特大桥的建成标志着中国西南山区高速公路建设取得阶段性突破。该桥首次采用钢管混凝土桁架梁和钢管格构桥墩，全长1811米，共36跨，其中连续梁最长段达1044.7米，桥墩最高达107米，最小平曲线半径356m。
尽管国内外曲线桥梁建设已有丰硕成果，但由于在曲线梁桥空间分析理论、计算方法、实际运用方面仍不够完善，特大跨曲线桥梁存在竣工后桥梁不能满足设计要求的情况，严重者造成安全事故，使国家和人民生命和财产安全受到严重损失。曲线梁桥，尤其小半径曲线梁桥，由自重、预应力、活荷载等偏心所产生扭转变形不能忽略，且这种扭转变形同时会引起主梁挠曲变形，即存在“弯扭耦合”。因此，常规直线梁的分析方法不再适用。同时，主梁内外侧受力存在很大的不均匀性，受温度、混凝土收缩徐变等因素影响，梁内预应力、梁外支座等均存在径向受力，容易发生预应力张拉造成的混凝土崩裂或者支座径向偏移造成的落梁事故。目前，特大跨度的曲线桥主要以悬臂现浇施工为主，施工过程中应充分考虑主梁扭转、面内变形、弯扭耦合等受力特点，以确保桥梁施工过程中和成桥状态的安全可靠。
随着我国交通事业的蓬勃发展，新建桥梁上跨既有公路或铁路已属常见工程。这些桥梁上跨既有铁路或者公路工程中，为确保国家和人民生命财产安全，防护安全非常重要。隋渤海[23]以湘潭市东二环高月塘大桥为工程实例，详细介绍了该桥上跨沪昆正线(上、下行双线)、湘潭东站牵引线、安全线及联络线等5条既有铁路线施工时，主梁墩顶临时固结方案设计与施工以及防护方案比选，包括移动吊挂式防护平台方案设计与施工工艺等。陈荣山[24]针对渝万铁路客运专线新湾双线大桥在DK98+968.35—DK99+145.65处跨越沪蓉高速公路工程，对刚性棚架防护与挂篮兜底防护方案进行了比选，介绍了刚性防护棚架设计和稳定性检算，阐述了上跨高速公路施工安全管理要点。但是，每个桥梁上跨公路或铁路工程，由于施工方法不同、所上跨公路或铁路的重要等级和车行流量的不同，防护措施的要求和等级也差别较大，应当针对具体情况因地制宜采取安全、高效、经济的综合措施。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，用于解决上述背景技术中存在的问题。
本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明公开一种大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，所述方法包括以下步骤：
S1根据桥梁设计图纸桥梁的布置情况，划分全桥节点及单元，并定义材料特性以及收缩、徐变特性，输入截面形状；
S2根据设计图纸中的预应力钢束信息，画出预应力钢束的形状，通过钢束形状生成器得到预应力钢束的形状信息；
S3通过命令窗口导入到Midas/Civil模型中；并进行边跨合拢以及相应的预应力张拉的约束模拟；
S4根据Midas/Civil模型计算得到全桥施工过程中小半径S曲线连续梁桥段张拉之后零号块顶板、腹板、底板的应力情况；
S5施工时，进行应变监测，将传感器埋置在构件混凝土内，保持测点处传感器变形与周围混凝土的变形一致；
S6在每个控制截面测取的应变数据中,分别取截面上缘、下缘的平均值，得到截面最终应变值，再转化成应力值；
S7按照施工阶段，将实测应力值与S4中理论应力值进行比较,绘制对比曲线；
S8在应力对比曲线中,对比各控制截面应力实测值与理论计算值趋势，判断应力值误差是否符合施工应力监控要求。
更进一步的，所述方法中，获取理论应力值时，对跨度较大而采用的变截面的箱梁，需要根据实际情况建立变截面组，根据设计图纸中的预应力钢束信息，采用CAD画出预应力钢束的形状。
更进一步的，获取理论应力值时，还需要根据桥梁设计图纸输入预应力钢束信息，确保每根钢束的信息准确无误，并根据桥梁设计图纸合理的划分施工阶段，设置相应的工况。
更进一步的，各个梁段浇筑过程的施工阶段分为三个工况分别为梁段的浇筑、相应预应力钢束的张拉和挂篮前移。
更进一步的，所述方法中，传感器采用振弦理论设计,钢弦应力计埋入混凝土内以后,在轴向力作用下，钢弦两支点的弦长将发生伸长或缩短，其自振频率发生变化。
更进一步的，所述方法中，通过测试传感器的自振频率和传感器内的电子元件可以得到钢弦的应变值﹐换算得到同位置处混凝土的应力值为
其中，
为混凝土结构应力；Ec为混凝土的弹性模量；φg为钢弦传感器的应变。
更进一步的，理论应力值计算中,模拟每个施工块段包括浇筑、张拉、移动挂篮，体系转换、安装附属结构及收缩徐变，取根部截面、1/4跨截面及合龙段截面为控制截面，控制截面在各施工阶段应力值。
更进一步的，所述方法中，为了消除混凝土的收缩、徐变对测试结果的影响，在每道工序之前测一次数据。
更进一步的，若该施工过程较短，则认为每道工序间发生的混凝土的收缩、徐变量很小，不予考虑，以增量的结果形式对每个阶段进行监测；若施工周期较长,则对测试数据进行处理。
更进一步的，在建立Midas/Civil模型时，对结构进行分析首先根据桥梁设计图纸对桥梁的各个施工阶段进行划分，然后再依据施工单位提供的施工技术方案合理的施加挂篮荷载从而完成结构各个施工阶段以及全桥合拢的精细计算模型。
本发明的有益效果为：
本发明建模过程方便、快捷，操作界面简单，与实际施工过程相符合，除了能够模拟桥梁施工阶段以及各个阶段的工况外，还可以方便的模拟桥梁结构的体系转换以及动态施工过程；结果数据读取方便:完成桥梁的模拟之后，可以方便、快速的模型中提取各个施工阶段以及各阶段工况的内力图和变形图，以及结构各个施工阶段的内力、位移、应力、应变等数值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是种大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法原理步骤图；
图2是本发明实施例预应力钢束布置图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开如图1所示的一种大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，所述方法包括以下步骤：
S1根据桥梁设计图纸桥梁的布置情况，划分全桥节点及单元，并定义材料特性以及收缩、徐变特性，输入截面形状；
S2根据设计图纸中的预应力钢束信息，画出预应力钢束的形状，通过钢束形状生成器得到预应力钢束的形状信息；
S3通过命令窗口导入到Midas/Civil模型中；并进行边跨合拢以及相应的预应力张拉的约束模拟；
S4根据Midas/Civil模型计算得到全桥施工过程中小半径S曲线连续梁桥段张拉之后零号块顶板、腹板、底板的应力情况；
S5施工时，进行应变监测，将传感器埋置在构件混凝土内，保持测点处传感器变形与周围混凝土的变形一致；
S6在每个控制截面测取的应变数据中,分别取截面上缘、下缘的平均值，得到截面最终应变值，再转化成应力值；
S7按照施工阶段，将实测应力值与S4中理论应力值进行比较,绘制对比曲线；
S8在应力对比曲线中,对比各控制截面应力实测值与理论计算值趋势，判断应力值误差是否符合施工应力监控要求。
本实施例中，为了消除混凝土的收缩、徐变对测试结果的影响，在每道工序之前测一次数据，若该施工过程较短，则认为每道工序间发生的混凝土的收缩、徐变量很小，不予考虑，以增量的结果形式对每个阶段进行监测；若施工周期较长,则对测试数据进行处理。
本实施例建模过程方便、快捷:操作界面简单，采用菜单式的建模方式，提供多种桥梁的建模方式，方便选择恰当的建模方式。
与实际施工过程相符合:除了能够模拟桥梁施工阶段以及各个阶段的工况外，还可以方便的模拟桥梁结构的体系转换以及动态施工过程。
结果数据读取方便:完成桥梁的模拟之后，可以方便、快速的模型中提取各个施工阶段以及各阶段工况的内力图和变形图，以及结构各个施工阶段的内力、位移、应力、应变等数值。
实施例2
本实施例依托工程为水富港区专用公路的(80+136+80)m变高度预应力混凝土连续箱梁桥，平面位于半径393m及550m的S形曲线上，桥梁纵坡由-0.311％至-2.42％变坡点位于23#墩1#节段处，箱梁顶板横坡在-3％～3％变化。该桥的136m主跨为一次性跨越内六铁路而设，于K0+910.29处上跨内六铁路，交叉点道路里程K0+910.29＝内六铁路里程K142+728.05，交角为22.74°。上跨交叉点位于水富车站内，跨越处共有三股铁路路基。设计资料表明，该桥主梁采用单箱双室直腹板断面，三向预应力体系，其中纵向按全预应力结构设计，采用悬臂现浇法施工。主梁共划分为19个节段，其中0号节段长10m，中合拢段及边合拢段长2m，19号边节段长10.82m，1号～17号中节段长度分为3m、3.5m、4m三种。该桥工程难点体现在以下方面：
(1)平曲线为小半径S形曲线，结构受力更为复杂。不同于一般的桥梁平曲线为单向曲线，该桥为S形曲线，且两个方向的弯曲半径都较小，分别为393m和550m。S形曲线存在反弯点，悬臂施工过程中主梁变形、内力的变化和影响因素更为复杂。因此，比选确定适用于大跨度变截面小半径S形曲线连续梁桥空间有限元仿真分析方法，模拟全桥施工过程，据此确定最不利施工工况，分析最不利施工工况、体系转换前后等工况主梁位移、应力和支座径向偏移等影响因素，对全桥施工过程中的主梁受力状态做综合评价，是确保实际桥梁施工安全的重要保障。
(2)主梁节段长，节段重量大，施工过程监测控制尤为重要。除平曲线位于S形曲线外，该桥主梁节段划分较长，除支架现浇段、墩顶0号块以外，最大主梁节段长4m，重量达2972kN。悬臂施工过程中，有必要考虑主梁的弯扭耦合效应、施工环境温度变化、混凝土弹性模量、收缩徐变、预应力张拉等因素，分析主梁施工几何线形的关键影响因素，提出综合施工控制方法，以确保成桥线形达到设计要求。
(3)上跨重要铁路干线，施工临时结构和防护结构安全性必须保障。该桥主跨施工上跨国家重要铁路干线内六铁路。如前所述，该桥墩顶0号块长达10m，悬臂施工前需要先做墩梁临时固结。同时，为防止施工时高空落物对既有铁路线造成安全影响，还必须搭设防护棚。因此，基于施工应力重要性的考虑，对施工过程中的临时结构，包括墩顶0#块的临时锁定结构、0#块托架结构，边跨和中跨合龙段劲性骨架结构、上跨铁路防护棚结构等，均需综合考虑现场情况，作多种方案比选，结合空间受力状态分析，提出施工应力综合控制措施。
综上所述，为确保桥梁施工过程中国家和人民的生命财产安全，本项目依托上跨内六铁路(80+136+80)m小半径S形曲线桥梁，拟采用理论分析，数值模拟，现场监控、BIM技术等手段，开展上跨铁路大跨度变截面小半径S形曲线连续梁桥施工应力控制研究。
实施例3
本实施例公开一种Midas/Civil模型的建立顺序如下:
(1)根据桥梁设计图纸桥梁的块段数，以及桥梁临时固结、支座等的布置情况，合理划分全桥节点、单元，定义材料特性以及收缩、徐变特性，输入截面形状。由于跨度较大而采用的变截面的箱梁需要根据实际情况建立变截面组。
(2)根据设计图纸中的预应力钢束信息，采用CAD画出预应力钢束的形状，通过钢束形状生成器得到预应力钢束的形状信息，再通过命令窗口导入到模型中。除此之外，还需要根据桥梁设计图纸输入预应力钢束信息，确保每根钢束的信息准确无误。
(3)根据桥梁设计图纸合理的划分施工阶段，并设置相应的工况。各个梁段浇筑过程的施工阶段一般分为三个工况，即梁段的浇筑，相应预应力钢束的张拉、挂篮前移。
(4)约束的模拟:由于连续梁桥施工时的结构特点，桥梁未合拢之前T构体系是一个独立的系统，为了施工安全，首先进行墩梁固结成，支座被临时固定，墩梁成为一个整体。当完成边跨合拢以及相应的预应力张拉之后，拆除一部分临时支撑，当完成中跨合拢以及相应的预应力张拉之后，拆除剩余临时支撑。
(5)桥梁边、中跨合拢段的模拟:西苏堡特大桥的实际施工合拢方案是先边跨合拢再中跨合拢。首先在两侧边跨合拢段架设满堂支架，浇筑边跨合拢段并张拉相应的预应力钢束，拆除边跨合拢支架及一部分临时固结，然后完成中跨合拢，合拢段卸配重，张拉相应的预应力钢束，拆除剩余临时固结。
(6)在桥梁的现场施工过程中,混凝土加载龄期以及各项材料的实际参数会发生变化，必须根据现场的实际情况随时对模型的参数进行调整。需要作出调整的内容主要包括混凝土的加载龄期、弹性模量，施工阶段实际的施工周期。
连续梁桥主梁应力主要受纵向预应力的影响，因此，本桥模型只对纵向预应力钢筋进行了模拟，不考虑横向预应力和竖向预应力钢束的作用。预应力钢束布置图如图2所示。
本实施例公开了桥梁的工程背景概况，叙述了应力方针分析的前期内容，包括计算的内容和主要参数的设定。运用Midas/Civil软件对大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥有限元模型，模拟桥悬臂施工阶段的各个施工工况，并通过模型的计算得到桥梁各个施工阶段的测点位置的累计应力值。
综上，本发明建模过程方便、快捷，操作界面简单，与实际施工过程相符合，除了能够模拟桥梁施工阶段以及各个阶段的工况外，还可以方便的模拟桥梁结构的体系转换以及动态施工过程；结果数据读取方便:完成桥梁的模拟之后，可以方便、快速的模型中提取各个施工阶段以及各阶段工况的内力图和变形图，以及结构各个施工阶段的内力、位移、应力、应变等数值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1根据桥梁设计图纸桥梁的布置情况，划分全桥节点及单元，并定义材料特性以及收缩、徐变特性，输入截面形状；
S2根据设计图纸中的预应力钢束信息，画出预应力钢束的形状，通过钢束形状生成器得到预应力钢束的形状信息；
S3通过命令窗口导入到Midas/Civil模型中；并进行边跨合拢以及相应的预应力张拉的约束模拟；
S4根据Midas/Civil模型计算得到全桥施工过程中小半径S曲线连续梁桥段张拉之后零号块顶板、腹板、底板的应力情况；划分施工阶段，各个梁段浇筑过程的施工阶段分为三个工况分别为梁段的浇筑、相应预应力钢束的张拉和挂篮前移；
S5施工时，进行应变监测，将传感器埋置在构件混凝土内，保持测点处传感器变形与周围混凝土的变形一致；
S6在每个控制截面测取的应变数据中,分别取截面上缘、下缘的平均值，得到截面最终应变值，再转化成应力值；
S7按照施工阶段，将实测应力值与S4中理论应力值进行比较,绘制对比曲线；
S8在应力对比曲线中,对比各控制截面应力实测值与理论计算值趋势，判断应力值误差是否符合施工应力监控要求。
2.根据权利要求1所述的大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，所述方法中，获取理论应力值时，对跨度较大而采用的变截面的箱梁，建立变截面组，根据设计图纸中的预应力钢束信息，采用CAD画出预应力钢束的形状。
3.根据权利要求2所述的大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，获取理论应力值时，根据桥梁设计图纸输入预应力钢束信息，确保每根钢束的信息准确无误，并根据桥梁设计图纸划分施工阶段，设置相应的工况。
4.根据权利要求1所述的大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，所述方法中，传感器采用振弦理论设计,钢弦应力计埋入混凝土内以后,在轴向力作用下，钢弦两支点的弦长将发生伸长或缩短，其自振频率发生变化。
5.根据权利要求1所述的大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，所述方法中，通过测试传感器的自振频率和传感器内的电子元件得到钢弦的应变值﹐换算得到同位置处混凝土的应力值为
其中，
为混凝土结构应力；Ec为混凝土的弹性模量；/>
为钢弦传感器的应变。
6.根据权利要求1所述的大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，理论应力值计算中,模拟每个施工阶段包括浇筑、张拉、移动挂篮、体系转换、安装附属结构及收缩徐变，取根部截面、1/4跨截面及合龙段截面为控制截面，控制截面在各施工阶段应力值。
7.根据权利要求1所述的大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，所述方法中，为了消除混凝土的收缩、徐变对测试结果的影响，在每道工序之前测一次数据。
8.根据权利要求1所述的大跨度变截面小半径S曲线连续梁桥应力监测及分析方法，其特征在于，在建立Midas/Civil模型时，对结构进行分析首先根据桥梁设计图纸对桥梁的各个施工阶段进行划分，然后再依据施工单位提供的施工技术方案施加挂篮荷载从而完成结构各个施工阶段以及全桥合拢的计算模型。
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