工程技术
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
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随着城镇化步伐的加快，城市交通拥堵问题日渐突出。城市立交桥是解决城市交通拥堵主方式之一，而且城市立交桥也逐步成为城市发展的主要象征之一。现在，人们不仅仅对工程质量非常重视，同时对行车安全、舒适程度的要求也越来越高。由于城市桥梁的施工受场地限制，施工一般采用现浇是施工。在 保证工程质量的情况下，要想达到行车安全、舒适的要求，那么我们在桥梁现浇施工时必须预测和控制现浇梁的尺寸。论述现浇梁沉降的文献很多：文献[1]结合绕越高速公路现浇梁论述了现浇预应力箱梁的沉降观测施工控制，提出了随着立交桥的结构设计形式日益繁多、地理环境条件的不同，其具体的施工工艺也会不尽相同。因此，在实际施工中只要因地制宜，科学施工，不断地去创新、研究，才能切实地保证安全，并取得成功，才能获得良好的社会效益和经济效益；文献[2]通过广珠西线高速公路石洲互通立交主线桥的施工实践，介绍在软土地基上采用满堂红支架施工现浇箱粱，对箱粱支架进行全仿真预压并取得沉降观测规律以指导普通现浇连续箱粱施工；文献[3]结合滨海轻轨工程，通过有选择性的局部支架预压试验作沉降观测，为相似地质段后续连续箱梁施工提供预拱数据，从而简化工序，加快了施工进度；文献[4]通过对甘肃清嘉高速公路酒泉立交钢筋混凝土连续箱梁桥及宁夏盐中高速公路恩和立交钢筋混凝土连续箱梁桥进行了沉降观测，总结出了一套切实
可行观测方案；等等。根据文献调阅情况，前人的研究大多以理论计算预测现浇梁施工时的沉降，很少借助计算机技术。本文结合昆明金星立交桥现浇梁，应用大型有限元软件ans ys首先对现浇梁沉降作出预测，然后根据预测结果指导施工，控制现浇梁在施工时的沉降。
1 工程概述
1.1 工程概况
金星立交桥位于北二环东侧，为北二环与北京路交叉的全互通立交体系，北二环主线和北京路主线分别为高架桥，高架桥分为双向六车道。现金星立交桥改扩建项目在原有高架桥上增加上下行各三车道的快速系统主线高架，标准桥面宽度为13 m，路线长度Na1线总长981.978 m，Nb1线总长989 m。东接小庄立交高架桥，西接马村立交高架桥，为符合城市长远发展规律，增加视觉效果和视野的通透性，上部采用分离式现浇连续箱梁的结构形式。
金星立交桥处于凹洼地段，南北侧北京路两头及小庄立交、马村立交的标高均比金星立交桥区高，下雨后四周的雨水将统统汇集至金星立交桥桥区。2008年雨季期间汇集至桥下路面的最大雨水深度达1.7 m，加之金星桥区地质较差，遭水淹后将导致地基承载力降低，造成支架沉降，若不对支架基础及支墩下地基进行相应的 处理将无法保证现浇箱梁的质量和施工的安全。
1.2 支墩地基处理
1.2.1 支墩基础处理
支墩所处地基在老路上的直接浇筑基础，而对于软弱地基，开挖2 m 左右深基槽，将3～5 m 长木桩（钢板、管桩）按@400梅花形布置，压入地表以下软弱层，然后上部进行回填块石、碎石料、土夹
石碾压处理（回填深度不小于1.5 m），并用压路机压实后，在支墩下方浇注钢筋混凝土基础，基础厚度为1米，然后在基础上支立支墩（必要时地基压浆处理）。采用φ200钢管桩时，间距调整为0.6～0.8 m，长度6 m。基槽四周在换填时沿基槽壁满铺防水材料。北京路钢管柱处的地基进行硬化处理，并且在钢管柱支墩下方浇注C30钢筋砼扩大基础，钢筋砼基础下方1m 换填水泥稳定料，最底部根据现场情况换填0.4～2 m片石，同时根据情况对基底压浆固化处理。 1.2.2 临时支墩施工
该跨支墩分为两种，即北京路两侧的贝雷梁支墩和北京路中间直径50 c m钢管柱临时支墩。
跨北京路路口现浇梁施工时，临时支墩布置在二环路外侧部分，并沿北京路两侧紧靠防撞栏布置。支墩采用贝雷梁片组成，贝雷梁纵向间距0.9 m，贝雷梁之间通过支撑架进行连接加固，临时支墩横桥向布置3片，垂直方向布置8层。
虽然双层贝雷梁片抗弯满足要求，但考虑到跨度越大，纵向贝雷梁的挠度越大，为减小挠度，避免两次浇注现浇梁时混凝土出现开裂，必须在跨中位置设置支墩。本跨支墩设置在北京路中央，由50钢管和32型钢组成。由于受北京路中央分隔带宽
度影响，搭设该中央临时支墩时需要将北
①作者简介：张素红，本科，工程师，河北省赤城县人，主要从事公路工程施工管理工作。
张素红
（中铁十六局集团第四工程有限公司 北京怀柔 101400）
摘 要：城市桥梁是城市交通的重要组成部分，它是城市交通发展的象征之一。近年来随着城市的快速发展，各大城市都在兴建城市立交桥，以缓解交通拥堵。城市是人口密集区，所以城市立交桥建设的好坏直接关系到生命安全。沉降是现浇桥梁施工控制的主要指标之一，沉降控制不好不仅会影响工程质量，还会使行车有跳车感，严重时会造成重大交通事故。该文根据实际工程案例，采用ansys大型有限元软件分析预测了昆明金星立交桥9#～10#墩现浇箱梁施工时的位移变形，根据该预测结果有针对性地控制箱梁的沉降及变形。引进有限元分析软件对箱梁现浇施工时变形量进行预测分析，这对类似工程有很大的借鉴作用。关键词：现浇箱梁 沉降观测 ANSYS有限元软件
中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：
1674-098X(2014)01(c)-0129-05图1 纵向一排测点示意图
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图2 ansys模拟箱梁模型
京路靠中央侧的空心板间翼板凿除，再在此处施工支墩基础及支墩。为提高支墩的强度，50钢管内灌注砼，必要时增加十字肋。
1.2.2.1 支墩顶纵向贝雷梁施工支墩顶纵向贝雷梁，安装时采用地面组装成片后，再吊装的方式进行。纵向贝雷
梁每两片为一组，每组之间再使用斜撑架连接加固。因北京路跨度大，支墩顶纵向贝雷梁采用双层构造，并增加加强弦杆，提高纵梁的抗弯性能及减少挠度。
整个贝雷梁安装过程可以分为以下几个步骤：
a、调整支墩标高
b、在地面拼装贝雷梁，以支墩位置为标准，确定拼装的长度。
c 、在支墩顶安装横向贝雷梁，并固定
好。
d、封闭既有桥，将检查合格后顺桥向贝雷梁分片吊装到横向支墩贝雷梁上。吊装时，吊车布置在桥下位置（净宽不够的放
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图4 箱梁竖向变形云图表1 钢筋混凝土模拟参数
表2 贝雷梁模拟参数
表3 钢管临时支墩模拟参数
弹性模量(MPa)泊松比容重(kN/m 3)3500
0.20
25.0
弹性模量(GPa)泊松比容重(kN/m 3
)210
0.25
78.0
弹性模量(GPa)泊松比容重(kN/m 3)200
0.30
78.0
图3 分析模型竖向变形云图
置在二环路上），吊装顺序为先内侧后两边。贝雷梁吊装就位后，安装密目防护网。
1.2.2.2 二环路与设计桥梁重叠部分支架施工
高架桥路面的支架采用碗扣脚手架，并直接通过方木作用在桥面上。同时该部分碗扣
脚手架与贝雷梁顶脚手架连成一个体系。
1.2.2.3 上部支架系统施工
纵向贝雷梁顶铺10 cm×10 cm方木，并搭设脚手架及模板系统。
1.2.3 地基排水
支架投影内设置3％左右的横向排水坡在支架以外两侧各挖一条纵向水沟，在每跨跨中和桥墩处各挖一条横向水沟，以预防地表水浸泡引起地基软化。为防止雨季淹水造成支架基础浸泡，老桥区易淹水地段支架及支墩基础底铺设防水材料，并在每跨四周浇注0.4 m 宽0.6 m 高砼围
堰。围堰内设置集水井、抽水设备及时将积水排除。
1.3 现浇梁浇筑施工时沉降测点布置
本文选取昆明金星立交桥9#～10#墩现浇箱梁为分析研究对象，整个梁段纵向一排均匀布置9个测点，纵断面一排测点布
置见图1。
1.4 现浇梁浇筑施工
本桥主线及匝道共有现浇梁59孔。为了加快施工进度，保证施工安全，减少工程投资，现浇箱梁施工时采用贝雷梁支撑和碗扣脚手架。需要中断既有道路交通，占用
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图5 实测值与数值模拟分析结果对比图
二环路搭设支架。在施工到跨北京路及其他路口期间，需要占用北京路两个车道进行施工。
现浇梁施工外模采用统一采用定型钢模板，内模采用竹胶板。砼集中供应，使用汽车泵浇注。
2 有限元软件ANSYS简介
2.1 概述
A N S Y S 是目前世界最顶端的有限元商业应用程序之一，是融各领域分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发，它能与多CAD软件接口，实
现数据的共享和交换[5]
。
2.2 主要技术特点
A N S YS 程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包，其特点:(1)数据统一。A N SYS 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一；(2)强大的建模能力。A N S Y S 具备三维建模能力，仅靠A NSYS 的GU I(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型；(3)强大的求解功能。A NSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器；(4)
强大的非线性分析功能。A N S YS 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析；(5)智能网格划分。ANSYS 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格；(6)良好的优化功能。(7) 良好的用户开发环境。2.3 ANSYS 软件分析过程
ANSYS有前处理、求解计算和后处理三个部分。前处理主要是建立实体模型，进行网格
划分；求解就是在模型建立后进行的分析计算过程；后处理是计算结果的提取。
2.3.1 前处理
双击实用菜单中的P r e p r o c e s s o r，进
入A N S YS 的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。
A N SY S 程序提供了两种实体建模方法：自上向下与自下向上。自上向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型。无论使用自上向下还是自下向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而雕塑出一个实体模型。再者，ANSYS程序提供了完整的布尔运算。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。A NSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成
面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自下向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。A NSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对CA D 模型进行网格划分的功能。包括4种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。A N S YS 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。
2.3.2 求解
这里不再详述ANSYS求解过程，这个
过程是在建立模型时加载并选择本构模型，程序会自动进行求解。
2.3.3 后处理
后处理阶段是对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果(如位移)在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜，代表了不同的值(如位移值)。浓淡图则用不同的颜代表不同的数值区(如位移范围)，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。另外还可以检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制
曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。
3 模型建立及计算分析
3.1 模型的建立
本模型的建立并未对所有的现浇梁施工进行模拟，只是具有代表性的模拟了贝雷梁支撑下的现浇梁的施工。因为该工况下现浇梁施工时的沉降主要表现为贝雷梁的变形，即二者是同步变形的，所以我们通过建立本模型分析研究了该工况下贝雷梁在现浇梁自重的作用下的变形特性来反映现浇梁的沉降变形。本模型结合施工实际建立本模型，并模拟二次浇筑混凝土施工过程对贝雷梁的变形影响。现浇梁采用实体单元模拟；贝雷梁的作用就是将现浇混凝土产生的重力分散到现浇梁两端的临时支墩和中间中间直径50 c m钢管柱临时支墩，此处将其简化为平面应变单元；北京路两侧的贝雷梁支墩和北京路中间直径50 c m钢管柱临时支墩均采用实体单元来模拟；纵向贝雷梁上部的支架系统将简化为贝雷梁的附属系统，随贝雷梁的变形而变形。模拟选用主要参数见下表1，表2，表3：
在建立实际模型时，对模型进行了简化处理。50钢管柱和作为临时支墩的贝雷梁简化为实体支墩。根据施工图纸和实际施工情况所建立的模型如图2所示。3.2 模型的分析计算
模型的分析计算结果云图见图3。从模型的竖向变形云图来看，两个临时支墩和钢管柱处的变形很小，临时支墩和钢管柱之间接近跨中的部位变形较大，接近一公分。这个结果在现浇梁上云图上更为明显，见图4。3.3 对比分析
将有限元模型计算的结果与我们在实际施工时的的实测资料进行对比分析，对比关系见图5。
（下转134页)
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当钢管柱四周回填碎石已固定钢管柱中心位置，等留样砼凝固后，即可割除钢管柱与送柱工具柱连接部位，拆除动力站，由吊车将垂直插入机移位。⑦灌注钢管柱内砼。下放导管进行钢管柱内的砼灌注，钢管柱内砼为干作业灌注，当灌注到法兰部位时，需上下抽动导管使砼充分填筑法兰底部的空隙，灌注到钢管柱顶标高350～500 m m后停止灌注。（7）钢管柱安装施工要求和主要技术措施。插入钢管柱施工要求：柱中心和基础中心允许偏差±5 m m；柱顶面标高和设计标高允许偏差0～-20 m m；柱垂直度允许偏差＜l/500 mm。主要技术措施：对于施工中使用的经纬仪、垂直仪及传感器需经
常检查，确保垂直精度在允许范围内，钢管柱安装后垂直度控制在1/500以内；插入钢管柱时为防止钢管柱底带入渣土，在插入钢管柱是采用垂直插入机适当旋转插入，有利于钢管柱底的渣土上翻。3 结语
（1）液压垂直插入钢管柱工法定位准
确、单桩安装施工周期短，大大节约了施工
工期；垂直精度高，垂直度＜l／500（l为钢
管柱长度）。(2)安全性高。液压垂直插入钢
管柱工法无需人工下孔作业，和其他施工方
法相比在很大程度上降低了施工安全风险。
（3）保证钢管柱的垂直度，质量可靠。液压
垂直插入机施工过程中采用机械化作业，
减少了人为因素，将钢管柱插至混凝土顶面
后，可以根据钢管柱下部安装的位移传感
器反映到电脑上的信号来检测钢管柱的垂
直度，保证插入钢管柱的垂直度符合要求，
垂直度可达1/500～1/1200，保证了施工质
量。在某市地铁换乘车站钢管柱安装施工
中，对部分钢管柱开挖检测，检测结果显示
钢管柱偏位值都控制在1/500以内。（4）提
高钢管柱安装施工效率，缩短施工工期。液
压垂直插入钢管柱工法较之常规的施工工
艺，施工流程简单，施工速度快，平均完成
单根钢管柱安装时间15～25 h，单根钢管
柱安装的施工工期缩短了约40%。（5）节约
能源，降低投资成本，液压垂直插入钢管柱
工法大量减少了施工材料和人工的投入，如
施工中不需长钢护筒护壁，也不用人工埋设
定位器等，因而降低了施工成本约15%，具
有广阔的实用价值和应用前景。
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从上面的对比分析图可以看出，数值模拟值和实测值较好的拟合，虽然有些地方相差较大，也是由于实测时估读造成的。
4 结语
通过以上的模拟分析计算，我们可以得出以下结论：
(1)我们可以应用有限元软件来预测分析现浇梁施工时的沉降变形，在施工之前做到心中有“数”，从而指导施工。
(2)从上面的分析可知，中间的钢管柱对现浇梁的沉降变形起到了很大的作用。因而，现浇梁跨度较大时，为了更好地控制
现浇梁的沉降变形，我们可以通过加设钢
管柱可以有效地控制变形。
(3)从实测数据与数值模拟计算的结果
对比分析可知，采用贝雷梁施工，现浇梁沉
降变形具有连续性，即临时支墩和钢管柱
处较小，随着离支点距离的增加，变形也
在增加。
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(上接132页）
《中外医疗》投稿说明
1.稿件应具有科学性、先进性和实用性，论点明确、数据准确、逻辑严谨、文字通顺。
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3.所有文章标题字数在20字以内。
4.参考文献应引自正式出版物，在稿件的正文中依其出现的先后顺序用阿拉伯数字加方括号在段末上角标出。
5.参考文献按引用的先后顺序列于文末。
6.正确使用标点符号，表格设计要合理，推荐使用三线表。
7.图片要清晰，注明图号。
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