康乐，夏伟杰
(宁波市市政工程前期办公室，浙江宁波315010)
摘要：宁波市澄浪桥主桥是一大跨度坦拱桥，其主拱拱脚至水平拉索锚固区的节段为钢混凝土组合结构；该节段截面尺寸较大，拱肋结构施-时会受到混凝土水化热作用的影响。利用大型结构分析软件ANSYS分析钢混凝土拱肋节段的水化热效应、内预应力的作用效应。分析结果显示，在水化热效应和预应力作用下，钢拱肋和混凝土的应力是可控的，水化热作用下的钢拱截面变形很小，结构能够满足施[时的受力要求。
关键词：大跨度坦拱；钢混凝土拱肋节段；施工阶段；水化热效应；三维仿真分析
中图分类号：U448.22 文章编号：1004-4655( 2016) 03-0020-04
1前言
宁波市澄浪桥及接线工程属永达路连接线过奉化江段，其主桥一跨跨越奉化江，水中不设墩。主桥结构为中承式无风撑钢箱拱肋拱桥，主拱横桥向布置为2片拱肋，拱肋布置在人行道外侧，沿道路中心线方向错开10.320 m，形成斜桥布置。主拱向内倾斜100，2片主拱间不设风撑。主桥效果图见图1。
主拱肋竖直方向矢高25 m，跨径为175 m，矢跨比1/7，拱轴线为多段圆弧线拟合而成。主拱拱肋采用矩形封闭钢箱形拱肋，在主拱跨径1/4处附近由1个封闭钢箱分叉为2个封闭钢箱，2个钢箱拱肋之间设置钢桁架支撑连接。主梁采用双箱布置、横向通过横梁连接，双箱外侧伸出悬臂横梁用于锚固吊杆，主梁通过吊杆和拱肋联系。主拱水平力通过系杆进行平衡。
拱脚至水平拉索锚固区拱肋节段采用钢一混凝土组合结构。在钢箱内填筑微膨胀混凝土并设置预应力钢束，抵抗拱脚处的弯矩，钢与混凝土间通过剪力钉、PBL键及加劲板挖孔的方式进行连接，预应力束伸人承台，混凝土灌注范围为钢混结合段预应力钢束锚固端承压板处向下至拱脚。钢混凝土组合拱肋节段的立剖面示意图见图2。
由于澄浪桥主桥拱肋截面尺寸较大，特别是拱脚处的上、下肢截面宽度均>6m、高度均为2.5 m，局部混凝土几何尺寸较大，属于大体积混凝土结构，而且大体积混凝土灌注在密闭的钢拱肋中，结构受力复杂，应对混凝土进行水化热分析。
1)分析水化热对混凝土造成的影响，避免施工过程中混凝土出现温度裂缝。
2)水化热产生温度场导致混凝土膨胀，计算混凝土膨胀对钢拱肋产生的应力与变形，确保安全。
此外，还应分析拱肋内预应力钢束的张拉对钢混凝土结合段的受力影响。
2仿真模型及计算参数
钢混凝土结合段拱肋的水化热分析采用大型通用有限元程序ANSYS，先对结合段混凝土拱肋结构进行热分析，将热分析得到的温度场作为体荷载施加到结构单元的节点上进行热一结构耦合场分析，最终得到结构的应力分布。三维热分析模型中，拱肋中混凝土模拟选用ANSYS实体solid70单元，该单元有8个节点，每个节点只有1个温度自由度，具有3个方向热传导能力，并能实现匀速热流的传递。结构分析模型中，拱肋内混凝土及承台模拟选用solid45单元（ANSYS默认solid70等效结构单元），钢拱肋模拟采用she1163单元，模型共分solid单元128 491个，shell单元137 883个。钢混凝土组合拱肋节段的三维仿真模型见图3，承台及节段内灌注的混凝土模型见图4。
在水化热分析中，水泥的水化热并不是一次性全部释放，而是随时间逐步释放的，水泥的水化热随时间而变化的公式为
混凝土弹性模量随浇筑时间变化取指数式公式为
C50混凝土热分析的其他参数参考各类规范选定，计算模型中主要热分析参数取值见表1。
ANSYS温度场分析环境温度取宁波地区年平均温度16℃，混凝土人模温度根据经验取20℃。
3水化热温度场分析
对于钢混凝土结合段拱肋模型的水化热温度场分析，承台及拱肋嵌固段为非研究对象，在此不做水化热分析，默认其已浇筑养护完成，并在模型中将其设为环境平均温度。承台与拱肋交界面灌注的混凝土分2次完成，分别以拱肋内预应力束分2批锚固为基准，这2个混凝土浇筑段需设置入模温度及边界散热条件。
由于文章篇幅所限，本文只列出混凝土浇筑后出现温度最大值的第2天与预应力钢束张拉（浇筑后第9天）的节段温度场变化图。钢拱肋内第一段混凝土浇筑完成第2天与第9天，节段混凝土温度场分布分别见图5、图6。
由混凝土水化热仿真分析结果可知，钢拱肋内第二段混凝土浇筑完成后，混凝土体内温度随着水化热的产生不断增加。在第2天体内温度达最大值49.6℃，之后随着热量的散发不断降低，第9天混凝土体内温度最大值为34.3℃，下降约15.3℃。
钢拱肋内第二段混凝土浇筑完成第2天与第9天，节段混凝土温度场分布分别见图7、图8。
在第2天时体内温度达到最大值49.6℃，之后随着热量的散发温度不断降低，第9天混凝土体内温度最大值为33.4 ℃，下降约16.2℃。温度分布规律同第一段混凝土。
4节段应力与变形分析
4.1钢混凝土拱肋节段应力分析
在温度场荷载的作用下，混凝土结构由于不能自由变形而产生应力，混凝土结构的应力与温度荷载及自身弹性模量成正比，由于浇筑初期混凝土弹性模量处于不停增长，而混凝土温度随着水化热的生成和散发也处于先增大后减小的变化过程。因此，混凝土应力峰值出现在温度荷载与弹性模量乘积较大的时间点，经初步计算，出现在节段浇筑后的第6天。
由于篇幅所限，本文只图示出第一段混凝土浇筑后第6天与第9天（预应力钢束张拉）的混凝土应力云图，分别见图9~图12。
表2中列出每一段混凝土浇筑完成后第3天、第6天，以及预应力钢束张拉时的混凝土与钢拱肋的应力值。
表2中，混凝土应力“压”表示压应力、“拉”表示拉应力，没有列出拉应力的表示该阶段混凝土基本处于受压状态；钢拱肋应力为Mises应力。表2中前5个施工阶段列出的是混凝土与钢拱肋的应力最大值，而第6个施工阶段列出应力的主要分布范围。
由以上三维仿真计算结果得到，除在第一批预应力张拉之前钢拱肋内灌注的混凝土在截面中心区域有最大1.33 M Pa的拉应力外，其他阶段均处于受压状态，最大压应力出现在第二批预应力钢束张拉后下肢拱肋与承台交界处，最大值为18.4 M Pa。钢拱肋的最大Mises应力出现的施工部位与混凝土相同，最大Mises应力值为120 M Pa。
综上所述，钢混凝土组合拱肋节段在混凝土水化热效应与预应力作用下的应力满足施工阶段要求。
4.2钢混凝土拱肋节段截面变形分析
混凝土结构在施工过程中，由于水泥水化作用将产生大量的水化热，水化热造成混凝土内部温度升高而膨胀，导致外侧钢拱肋变形。根据仿真分析结果，图13所选取的钢拱肋截面在水化热等作用下截面变形相对较大。
根据前面的水化热混凝土温度场计算结果可知，混凝土浇筑完成后2d时的水化热最为剧烈，钢拱肋截面的变形也相对较大。图14、图15分别为第一段混凝土浇筑完成后2d钢拱肋1号截面变形图，其他截面的变形图不再一一图示。
图14、图15中，截面开口处为上、下肢拱肋水平系杆锚槽处。局部坐标x轴垂直于截面指向拱顶，y轴垂直于顶底板并指向顶板，z轴指向拱肋内腹板。
表3列出钢拱肋1号~4号截面在水化热作用下的截面变形。
由表3可见，钢拱肋在水化热作用下截面变形是能够满足施工阶段的刚度要求的。
5结语
通过对宁波市澄浪桥大跨度主桥坦拱的主拱钢混凝土组合节段施工过程水化热效应的有效分析，为实际施工起到积极的理论指导作用。
根据仿真分析结果，在实际施工过程中省去为降低组合段混凝土水化热效应的冷凝管设置，以及优化为防止施工过程水化热引起拱肋过大截面变形的临时截面加劲设计，从而降低施工难度，节省施工时间，减少施工措施费，可为其他类似工程提供有价值的参考。
至今，澄浪桥主桥结构已经成功合龙。
下一篇:返回列表
