橋墩模板的有限元分析與設計

圖1顯示了坍塌模型的基本結構。現在，為了確定模型板的大小和橫向梁之間的距離，采用有限軟件進行分析和計算，并確定模型板的尺寸和橫向梁的距離。1土振搗時的垂直面沖擊荷載和風荷載計算荷載包括:①新澆筑混凝土對側面模板的壓力;②混凝土振搗時的垂直面沖擊荷載4.0kN/m2;③風荷載(按八級風考慮)。模板強度計算時,考慮以上三種荷載,而模板剛度計算時僅考慮新澆筑混凝土對側面模板的壓力即可。1.1線性變化部分h分布高度新澆混凝土側壓力取式(1)中的較小值:F=0.22γct0β1β2v1/2F=γcH}(1)F=0.22γct0β1β2v1/2F=γcΗ}(1)式中,F為新澆筑混凝土對模板的側壓力(kPa);γc為混凝土的重力密度(kN/m3),取25kN/m3;t0為新澆混凝土的初凝時間(h),取8h;v為混凝土澆筑速度(m3/h),取2m3/h;H為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m);β1為外加劑影響修正系數,摻具有緩凝作用的外加劑時,取1.2;β2為混凝土坍落度影響修正系數,當坍落度110~150mm時,取1.15。采用式(1)計算F=0.22γct0β1β2v1/2=85.87kPa。則線性變化部分(γh分布)高度h=F/γ=3.43m。即在臺帽部分(高度2.95m)混凝土側壓力按線性分布。1.2基本風壓pa風荷載強度計算公式:W=K1K2K3W0(2)W=Κ1Κ2Κ3W0(2)式中,W為風荷載強度(Pa);K1為風載體形系數,按長邊迎風圓端型截面處理K1=1.1;K2為風壓高度變化系數,按≤20m計算取K2=1.0;K3為地形地理條件系數,按最不利環境取K3=1.3;W0為基本風壓(Pa),取風速v為17.2~20.7m/s,則W0=11.6v2=267.8W0=11.6v2=267.8Pa。故風荷載施加時最大風載強度W=K1K2K3W0=383Pa。2建模過程和方法2.1龍骨梁的間距與截面尺寸在橋墩整體模型建立前,首先采用MIDAS/civil軟件對面板區格尺寸進行優化設計,即采用大小不同的區格與不同截面的加筋肋(分為橫肋與豎肋)進行分析計算,以得到滿足強度與剛度要求的面板區格最優結構尺寸;然后結合面板區格的結構尺寸,進一步分析計算龍骨梁的間距與截面尺寸;最后建立橋墩整體模型(分為墩身、墩帽兩部分)進行整體結構的強度與剛度分析。2.2橋墩模板有限元模型模板制造工藝要求:面板與加筋肋、龍骨梁直板部分與加筋肋均為焊接方式,龍骨梁圓端部分與加筋肋采用螺栓固結,中間對拉桿與龍骨梁采用螺栓連接。在橋墩模板有限元模型中,面板采用板單元,龍骨梁與加筋肋采用梁單元,對拉桿采用桿單元。根據模板制造工藝要求,建模時加筋肋與面板采用共線方式,加筋肋與龍骨梁采用梁單元共節點方式,以實現其剛性連接;對拉桿采用桿單元與龍骨梁共節點方式,以實現其鉸接。根據MIDAS/civil的截面定義功能,對模型各部件采用相應的截面形狀和尺寸。3板區格和龍梁之間的距離確定3.1邊自由約束方式面板區格的計算采用對面板加載的方式,計算模型如圖2所示。邊界條件為對板邊采用3邊固定1邊自由的約束方式,荷載按最大側壓力施加。面板區格選擇為500mm×500mm時,計算結果如圖3所示。區格內最大垂直于面板的變形為4mm,滿足相關要求。故面板最大區格可采用500mm×500mm,豎肋和橫肋的最大間距可按500mm間距布置。3.2施工設計模型根據面板區格的大小,確定每條豎肋所承擔的荷載最大值為F豎肋=85.87kPa×0.5m×1.2=51.5kN。加載時采用面加載的方式,面荷載大小取最大混凝土側壓力,計算模型如圖4所示。變形云圖如圖5所示,可知在豎肋上最大的變形值為2mm,為滿足剛度1/500的相關要求,所以龍骨梁最大間距可為1000mm。按照施工要求,墩身模板按高度分為0.5m、1m、2m和3m四種。龍骨梁設置方式可為:在0.5m、1m節段中間設置1道;2m節段設置2道,且距兩端各為450mm;3m節段設置3道,中間設置1道,兩端距端部450mm各設置1道。4全球模型的計算4.1鋼板的種類,市接縫處連接法蘭為厚14mm鋼板,寬100mm;豎肋采用[8槽鋼;橫肋采用10mm鋼板,寬為80mm;龍骨梁采用雙槽鋼16b。計算模型如圖6所示。4.1.1剛度要求計算得知模板最大變形值為5mm;按寬度方向直面部分寬度為3200mm,依據剛度要求1/500計算,則容許變形值為3200mm/500=6.4mm:故滿足剛度要求。4.1.2有機溶劑安裝荷載施加考慮荷載組合側壓力+澆筑沖擊力+風荷載,墩身面板應力圖見圖7。計算可知,在龍骨梁直線段端部最大的軸力95.6kN、最大的正彎矩20.4kN·m,對于龍骨梁端部最大應力值為:σ=MW+NA=20.4×106N?mm233626mm3+95600N5030mm2σ=ΜW+ΝA=20.4×106Ν?mm233626mm3+95600Ν5030mm2=106MPa≤[σ]=145MPa。4.2混凝土側壓力墩帽部分豎肋、橫肋、連接法蘭及龍骨梁的選擇與墩身部分相同。龍骨梁共設置4道,計算模型如圖8。剛度計算采用混凝土側壓力,側壓力的大小按照rh線形變化。頂部荷載大小為0,底部荷載大小為F=γH=25kN/m3×2.95m=73.75kN/m2。墩帽變形云圖如圖9所示。可知墩帽部分變形很小,但考慮到墩帽的尺寸決定支撐墊石的位置,所以墩帽部分變形小比較合理。5模板的設計校核(1)采用