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Applied Mathematical Modelling 35 (2011) 3809–3820

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应用数学建模

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考虑施工阶段的连续混凝土箱梁桥数值模拟

Sevket Ates uArr;

Karadeniz Technical University, Department of Civil Engineering, 61080 Trabzon, Turkey

文章信息

文章历史：

2009年12月17日收到

收到修订本，2011年1月27日

2011年2月2日接受

于2011年2月23日在线可用

关键词：

桥梁

施工阶段

数值模拟

随时间变化的材料特性

平衡悬臂法

摘要

本研究的目的是通过考虑平衡悬臂法的分段施工阶段来分析混凝土连续箱梁桥。还考虑了混凝土和钢材随时间变化的材料特性。选择 了布丹桥作为数值示例。桥梁采用平衡悬臂法建造，位于土耳其Artvin–Erzurum高速公路上，高度为55 729.00–56 079.00 km， 使用SAP2000程序进行建 模。使用P-Delta和大位移准则进行分析时会考虑几何非线性。随时间变化的材料特性被认为是混凝土的抗压强度，老化，收缩和徐变，以及钢的松弛。研究了桥梁在不同施工阶段的结构行为。详细介绍了诸如弯矩，剪力和轴向力之类的内力变化，以及桥面和桥墩的位移。分析表明，要获得混凝土桥梁的真实性能，应考虑使用随时间变化的材料特性和几何非线性进行分段施工阶段分析，因为施工期间会随时间推移而变化，并且荷载在此期间和之后可能会发生变化。

copy; 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

1. 简介

近来，连续混凝土箱梁桥的使用有所增加。在具有恒定或可变截面高度的这种桥梁的构造中，可以采用悬臂法。箱梁截面形式由基于桥宽的单个或多个箱梁组成。悬臂法被认为是箱形箱梁桥的自然和逻辑解决方案。悬臂法有两种基本选择：一种是单悬臂法，另一种是双悬臂法。在前者中，桥梁的侧跨大梁在过渡墩上建造，然后在主跨中的加劲梁通过单侧自由悬臂建造，直到到达跨度中心或远端的锚墩。在后者中，桥梁通过双面自由悬臂从塔的两侧朝向锚墩和主跨度中心构造。双悬臂法也称为平衡悬臂法。特别是在很难在深谷，宽阔的河流上搭建脚手架或无法在脚手架的基础条件昂贵的情况下，建议使用该方法。在这种方法中，通过模板托架从一个或多个墩墩上建造桥梁。通常，结构从墩顶上的短桩对称地以大约3-6 m的长度段前进到中跨或基台。上层建筑的每个悬臂部分通过浇筑一个关键段和后张预应力筋束缚到前一个。预应力筋根据悬臂的弯矩图进行布置。

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0307-904X/$ - see front matter copy; 2011 Elsevier Inc. All rights reserved. doi:10.1016/j.apm.2011.02.016

近年来，出现了许多有趣的研究主题，例如在分析中考虑分段构建阶段。通常，通过假设结构在一段时间内立即构建来分析结构。但是，与从该施工阶段获得的结果相比，此类分析可能无法给出可靠的结果。在施工阶段分析中，应考虑随时间变化的材料特性。只要一些研究在分析桥梁的挠度和内弯矩重新分布方面还很困难，则已有几项研究涉及分段构造桥梁的分析[1-3]。 Abbas和Scordelis [4]实现了分段竖立三维斜拉桥的非线性几何，材料和时间相关分析。克鲁兹等。 [5]为钢筋混凝土，预应力混凝土和复合钢混凝土平面框架结构的非线性和时变分析提供了一般的逐步模型。Mari [6]研究了分段构造的三维混凝土框架的非线性和时变分析模型。Kwak and Son [7,8]研究了采用平衡悬臂法建造的桥梁的跨度比，并报告说，在施工过程中由于结构系统的变化而引起的弯矩变化需要对施工阶段进行严格的时变分析。Wang等[9]通过悬臂法对施工期间不同阶段的斜拉桥进行了分析。 Somja和Goyet [10]提出了一种有效的数值程序，用于对分段竖立结构进行材料和几何非线性有限元分析，包括由于荷载历史，混凝土的徐变，收缩和老化引起的时间相关效应。在那项研究中，观察到时间具有很强的影响力，尤其是对混凝土类型的结构。因此，强调在设计过程中必须考虑这些影响。Cho和Kim [11]通过考虑主电缆断裂的极限状态评估了悬索桥中的风险。他们检查了结果，并与常规安全指标和允许误差进行了比较，以控制施工期间的变形。Altunisik等[12]利用混凝土和钢的时变材料特性进行了Komurhan桥的施工阶段分析。他们报告说，施工阶段分析对桥梁的结构性能有显着影响。 Malm和Sundquist [13]研究了分段构造的平衡悬臂桥的时变分析。

对于混凝土桥梁，时变效应使分析变得更加复杂。效果在施工过程的早期阶段发展，并在混凝土桥梁建成后继续显着发展。根据构造方法的不同，可能会出现与时间有关的效应，并在结构中引起重要的应力重新分布。

从文献中可以看出，关于施工阶段分析的研究很少，需要通过增加新的研究加以扩大。根据上述研究，本文对桥梁材料的平衡悬臂法利用时变材料特性进行了施工阶段分析。与时间有关的材料特性被认为是混凝土的抗压强度，老化，收缩和徐变，以及钢的松弛。

1. 示例桥的说明

T布丹桥如图1所示，是一座钢筋混凝土连续箱梁式桥，位于土耳其Artvin和Erzurum高速公路之间，距离55 729.00–56 079.00 km。这座桥的建设始于2007年，最近完工。桥梁的结构是一个三跨，现浇的混凝土箱梁上部结构，支撑在钢筋混凝土墩上。桥梁桥面由主跨165.00 m和两个侧跨92.50 m组成。 桥梁总长度为350.00 m，桥梁宽度为15.00 m。 桥梁的结构系统包括一个连续的甲板，两个墩，两个桥台和一个封闭段。 码头在55 821.50 km处的高度为91.77 m，在55 986.50 km处的高度为97.17 m。桥墩和甲板的横截面在图2中详细给出。甲板的横截面由带有悬臂平板的单格箱形梁组成。大梁的深度从墩上的最大9.50 m到中跨和桥台的最小2.50 m不等。中央跨度中间的封闭段长1.50 m。底部平板的厚度也是可变的。为了研究施工阶段对布丹桥的响应影响，我们使用了三维有限元模型。

图1. 布丹桥及其尺寸。

6.00m

1.20m

1.20m

4.57m

15.00m

5.86m

4.57m

8.00m

a b

1.20m

1.20m

2.50m-9.50m

图2. Budan桥的（a）码头和（b）甲板的横截面。

这项研究的主要目的是进行与施工阶段及其对连续混凝土箱梁桥响应的影响有关的参数研究。但是，没有考虑土壤与结构的相互作用。

布丹大桥的有限元模型如图3所示。分析是通过使用SAP2000 [14]进行的。桥梁的有限元模型由在每个节点处具有3°自由度的实体元素组成。 它们在两个水平和垂直平移方向上。三维有限元模型如图3所示。该模型具有3764个结点和1710个实体区域元素。 另外，使用20个框架元素表示码头。另外，混凝土的弹性模量根据图6得出。相对湿度为60％，水泥类型为正常。预应力钢的屈服点为fyk = 500 MPa，钢的弹性模量为Es = 200,000 MPa。表1给出了与时间相关的材料特性相关的参数。在阶段性施工分析中，使用P-Delta和大位移准则考虑了几何非线性。

1. 施工阶段

用平衡悬臂法建造的桥梁由主要结构元素组成，例如桥面板，墩台和侧基台。长期以来，平衡悬臂分段结构一直被认为是最有效的方法之一，因为该方法不需要任何虚假的工作即可建造桥梁。因此，在上述施工方法中，优选上述的钢筋混凝土箱梁桥的平衡悬臂施工。在这种方法中，可以执行预制分段施工和现浇施工技术。这些技术有一些优点和缺点：

平面图

三维视图

图3.布丹大桥有限元模型的平面图和三维视图。

表格1

分析中使用的参数，用于随时间变化的材料特性。

2@3m=6m

封闭段

1.5m 10.75m

12@5m=60m

3@4m=12m 7.5m 3@4m=12m

12@5m=60m

1.5m

建造桥面板段 建造桥面板段

55 729.00

55 821.00

桥台 桥台

Pier

Pier

图4.布丹大桥的施工阶段和平衡悬臂法的施工阶段。

• 就地浇筑施工可能允许每4–7天建造一对3–6 m长的段，并承受一定的压力。平均而言，一对旅客可以在一个月内完成大约50 m的桥面，但不包括从墩到墩的转移和墩台的制造。
• 现场悬臂施工基本上是一个缓慢的过程，而带有匹配接缝的预制分段施工速度最快。
• 对于长而重复的结构，预制分段施工可能比现浇解决方案更经济。
• 预制分段解决方案受运输和放置设备的能力限制。超过2500 kN的路段很少是经济的。 尽管旅行者的重量和成本与最重的部分的重量成正比，但现浇结构没有相同的限制。
• 在分段结构中，桥梁的曲率以及分段的尺寸和重量会产生一些限制。
• 预制和现浇分段结构均允许在顶部进行所有工作。

以现浇施工技术建造的布丹桥为例。首先，使用合适的模板在子结构上方建造桥墩和桥面板的一小部分。然后，在每个墩的相对侧竖立如图3所示的长度为3–6 m的线段，以通过使用活动模板托架来平衡载荷。在混凝土浇筑之后，将预应力筋插入段中并施加后张力。最后，将纸架移动到下一个位置，然后开始新的循环。该序列平均需要一周才能完成，一直持续到桥面在中跨相遇为止。在中间跨度上，建立封闭段以完成一个跨度。由于在有限元分析之后，此时会发生最大位移，因此该段的构造非常重要。典型的操作顺序总结为：在阶段完成加固和筋管放置后，首先设置并调整支架，并调整甲板的形式。完成注浆，然后在段中插入预应力筋。在适当的时候，模板将被删除。将送纸器移动到下一个位置，以开始新的循环。重复每个路段的施工过程，直到完成桥梁。预应力混凝土公路桥梁平衡悬臂施工的上述示意图如图4所示。