第２１卷第３期 ２０１３年９月 山东交通学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＤＯＮＧ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖ０Ｉ．２１ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—００３２．２０１３．０３．０１０ 基于有限元分析的柱式桥墩钢模板仿真设计 杨 艳 ，陈裕波 （１．攀枝花学院交通与汽车工程学院，四川攀枝花６１７０００；２．攀枝花市交通运输局，四川攀枝花６１７０００） 摘要：以某快速通道桥梁工程为例，阐述柱式桥墩钢模板的设计理论，通过采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ分析计算软件进行 建模分析，模板面板、法兰及竖向连接板均采用板单元模拟，横肋、竖肋采用空间梁单元模拟，采用固定约束进 行模拟仿真。介绍柱式桥墩钢模板设计计算过程，为钢模板设计提供新的设计理念。 关键词：有限元分析；柱式桥墩；钢模板；设计 中图分类号：ｕ４４３．２；Ｕ４４５．５５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－－００３２（２０１３）ｏ３．ｏｏ４７＿ｏ４ １ 工程概况 某矿上快速通道，全线共６座桥梁，桥梁设计均为２０ ｍ跨装配式预应力混凝土简支箱梁，桥墩均采 用直径１６０ ｃｍ柱式墩，最高墩高２０ ｍ。采用柱式钢模板进行墩混凝土施工，模板直径为１６０ ｃｍ，模板按 高度分为１ ｍ和３ ｍ ２种，如图１所示。每节分２块制作 。面板采用厚度６＝５ ｍｍ钢板，竖肋采用 ［６３，每块平模共９根，呈倒扣“［”型焊于面板上，间距为２６．４４ ｅｍ；横肋采用［８，呈倒扣“［”型外焊于竖 肋上，２根１ ｍ高模板，６根３ ｍ高模板；法兰及竖连接板采用厚度６＝１２ ｍｍ钢板。 ２２０ ２２０ ２２０ ２２０ ２２０ ２２０ ７０ ５ｍｍ母槔 ５ ｍｍ ５ ｍｍ公榫 盈 公榫 ａ）高１ ｍ直径为１６０ ｃｍ模板图 ｂ）高３１１１直径为１６０ ｃｍ模板图 图１不同高度模板图 ２设计参数 模板外力主要有新浇混凝土对模板侧面压力、振捣混凝土时对模板产生的侧压力及风荷载 。 １）新浇注混凝土对模板侧面压力 对于竖直模板，新浇筑 昆凝土的侧压力是其主要荷载 ］。当混凝土浇筑速度＜６ ｍ／ｈ时，作用于侧 面模板的最大侧压力尸 的计算式为 Ｐ ＝ ， 收稿日期：２０１３—０３—２７ 作者简介：杨艳（１９７９一），女，四川邛崃人，攀枝花学院讲师，主要研究方向为交通信息工程及控制 竺 查 兰堕兰堡 ！ 笙 堂 式中９为混凝土的密度，ｑ＝２．６５ ｔ／ｍ ；ｇ为重力加速度，ｇ＝９．８ ｍ／ｓ ；Ｋ为外加剂影响修正系数，掺缓 凝外加剂时，Ｋ＝１．２；ｈ为有效压头高度，当ｖ／Ｔ＜￣Ｏ．０３５时，ｈ＝０．２２＋２４．９ｖ／Ｔ，当ｖ／Ｔ＞￣Ｏ．０３５时，ｈ＝ １．５３＋３．８ｖ／Ｔ，其中７１为混凝土人模时的温度，取Ｔ＝１０℃； 为混凝土的浇筑速度， ＝５ ｍ／ｈ。 则Ｐ ＝１０７．０２ ｋＮ／ｍ 。 ２）振捣混凝土时对侧面模板的侧压力 振捣混凝土时对垂直面模板的侧压力Ｐ，：４．０ ｋＰａ。 ３）风荷载 假定横桥向风荷载垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上，计算式为 Ｆ ｈ＝ｋｏｋ１ ３ＷｄＡ ｈ， 式中Ｆ 为横桥向标准风荷载，ｋＮ；ｋ。为设计风速重现期换算系数，对单孔特大桥和大桥的桥梁，ｋ。＝ １．０，对其它桥梁，ｋ。＝０．９０，对施工架设期桥梁，后。＝０．７５，当桥梁地处台风多发地区时，可据实际情况适 度提高ｋ。； 为风载阻力系数，取ｋ ＝１．０； 为地形、地理条件系数，取ｋ，＝１．０；Ｗｄ为设计基准风压， ＝ ２ ／２，其中Ｐ为空气密度，Ｐ＝０．１２４ ｋｇ／ｍ ， 为高度ｚ处的设计基准风速， ＝ｋｚｋ 。。，其中ｋ 为考虑 地面粗糙度类别和梯度风的风速变化修正系数，取ｋ：＝１．１９；｜ｉｃ 为阵风风速系数，取】ｉｃ ＝１．３８， 。为桥梁 所在地区的设计基本风速，若按１００ ａ一遇， 。＝２４．１ ｍ／ｓ；Ａ ｈ为横向迎风面积，Ａ ｈ＝２４ ｍ 。 求得Ｆ ｈ：１７．２４ ｋＮ。 ４）荷载组合 荷载组合Ｉ：１．２Ｐ ＋１．４Ｐ （用于模板承载力计算）； 荷载组合ＩＩ：１．２Ｐ （用于模板刚度计算）； 荷载组合ＩＩｌ：Ｆ （用于模板稳定性分析）。 ３建模及有限元分析 目前有限元分析软件较多，有限元软件Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ结合中国国内的规范、要求、习惯，在建模、分析、 后处理、设计等多方面提供了很多便利的功能，已广泛应用于各大公路、铁路、桥梁，是通用的空间有限元 分析软件。 采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ进行建模分析，其中模板面板、法兰及竖向连接板 均采用板单元模拟，横肋、竖肋采用空间梁单元模拟。在荷载作用下模 板底端产生的水平方向与竖直方向位移均可忽略不计，因此采用固定约 束进行模拟。新浇混凝土对模板的侧压力采用压力荷载进行模拟，模板 高度为０～１１．５７ ｍ段，压力荷载均匀分布；１１．５７—１５ ｍ段，压力荷载线 性变化。振捣｝昆凝土对模板的侧压力采用压力荷载进行模拟。 浇筑墩柱时，一次浇筑高度均不超过１５ ｍ，为安全起见，按１５ ｍ计 算，采用５节３ ｒｌｌ高模板拼装而成，如图２所示。 ３．１面板验算 面板在荷载组合Ｉ作用下最大应力 ０．４７ ｍｍ＜１．５ ｍｍ，面板刚度满足要求 。 ＝３１．１１ ＭＰａ＜［ ］＝２３５ 图２ ３ ｍ高墩柱模板有限元模型 三维效果图 ＭＰａ，因此面板强度满足要求。面板在荷载组合ＩＩ作用下最大位移为 面板应力图如图３（图中应力单位为ＭＰａ）所示，面板位移图如图４所示。 ３．２竖、横肋验算 竖、横肋在荷载组合Ｉ作用下的最大应力为４７．１１ ＭＰａ， 满足要求 。如图５、６所示（图５中应力的单位为ＭＰａ）。 ＝４７．１１ ＭＰａ＜［ ］＝２３５ ＭＰａ，故知纵、 横肋强度满足要求。竖、横肋在荷载组合ＩＩ作用下最大位移为０．４６ ＩＴｌｍ＜Ｂ／５００＝３．２ ｍｍ，纵、横肋刚度 第３期 杨艳等：基于有限元分析的柱式桥墩钢模板仿真设计 ４９ 坊向最大位移（节点３３）为０．２４１ ５ｍｉｌｌ ｙ方向最大位移（节点４０）为０．２３４ ７ ｍｉｌｌ ｚ方向最大位移（节点ＩＯＯＢ）为一０．４６３ ９ ｍｌｉ 最大位移（节点８２７）为一０．４６７ ９ ｍｉｌｌ 隰 ［］［】＝１＝ｌ＝Ｉ＝Ｉ］－Ｉ ∞＂¨¨ ６，Ｏ ｍ如∞胁ｍ如卯∞ 拍 图３面板应力图 喜 口二１二日臣卯 孔 ３ ６ ７ ７ ８ ６＂：２ Ｏ ３ ８ ７ ８ ５ 图４面板位移图 方向最大位移（节点３３）为０．２４１ ５ ｍｍ ｙｇ￣ｊ＂向最大位移（节点４ｏ）为０．２３４ ７ｍｍ ｚ方向最大位移（节点ＩＯＯＢ）为一０．４６３ ９ ｍｎｌ 最大位移（节点００Ｂ）为－０．４６３ ９ｍｍ 一 瀣 图５竖、横肋应力图 图６竖、横肋位移图 ３．３竖向连接板连接螺栓抗拉验算 模板受到螺栓的拉力 ，以及新浇混凝土与振捣产生的压力荷载Ｐ， 如图７所示。根据模板外荷载在 方向存在力学平衡可得 Ｔ＝ＰＤｈ／２， 螺栓拉力Ｔ 式中Ｐ为新浇混凝土与振捣产生的压力荷载，Ｐ＝１１１．０２ ｋＰａ；Ｄ为模 板直径，Ｄ＝１．６ ｍ；ｈ为模板高度，ｈ＝３ ｍ。 求得Ｔ＝２６６．４５ ｋＮ。 半圆形模板一侧共计ｌ４个Ｂ２２螺栓，可求得单个螺栓所受的拉力 Ｔ ＝２２．８３ ｋＮ＜４７．９ ｋＮ，对拉螺栓受力满足要求。 ３．４稳定性验算 螺栓拉力Ｔ 图７一侧模板受力分析示意图 沿线路纵向在墩身两侧各设置２根缆风绳，缆风绳与墩身的夹角为 ４５。，如图８所示。 ａ）立面 图８风缆设置图 ｂ）平面 ５Ｏ 山东交通学院学报 ２０１３年９月第２１卷 根据风向方向的力学平衡 ，可得 Ｆ ｈ＝Ｎｃｏｓ ４５。ＣＯＳ ０＋Ｎｃｏｓ ４５。ｓｉｎ ０ 式中Ⅳ为单根钢丝绳的拉力；Ｆｗｈ为风荷载合力，Ｆ ＝１７．２４ ｋＮ； 为０。～９０。。 当０＝０。或９０。时，单根钢丝绳的拉力最大，Ｎ…＝ ＝２４．３８ ｋＮ，选用直径为１２ ｍｍ，结构为６× １９Ｗ＋ＩＷＲ的钢丝绳，线密度为１．７７ ｋｇ／ｍ，最小破断力为９０．７ ｋＮ＞８５．３３ ｋＮ，满足要求 。 ４ 结论 通过对柱式钢模板进行有限元建模分析，建立了柱式模板的整体分析计算模型，能更准确的模拟施工 状态，有利于高墩大模板的推广应用，为钢模板设计提供新的设计理念。 参考文献： ［１］路桥集团第一公路工程局．ＪＴＪ０４１－－２０００公路桥涵施工技术规范［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０００． ［２］交通部第一公路工程总公司．桥涵［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０００． ［３］周水兴．路桥施工计算手册［Ｋ］．北京：人民交通出版社，２００１． ［４］北京迈迭斯技术有限公司．分析与设计原理［Ｍ］．北京：北京建筑工业出版社，２０１１． ［５］马琳，照兴中．浅谈柱式墩盖梁的内力计算［Ｊ］．城市道桥与防洪，２００９（５）：６６—６８． ［６］李杰．双柱式桥墩盖梁内力计算模型探讨［Ｊ］．中外公路，２０１１（６）：１８Ｏ一１８２． ［７］李兵，王东阳，春．墩台盖梁的空间有限元分析及简化计算［Ｊ］．辽宁省交通高等专科学校学报，２００３，５（１）：１５—１６，ｌ８ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｌｕｍｎ Ｐｉｅｒ Ｓｔｅｅｌ Ｆｏｒｍｗｏｒｋ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＹＡＮＧ Ｙａｎ ，ＣＨＥＮ Ｙｕ—ｂｏ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐａｎｚｈｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐａｎｚｈｉｈｕａ ６１７０００，Ｃｈｉｎａ ２．Ｐａｎｚｈｉｈｕａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｐａｎｚｈｉｈｕａ ６１７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ａ ｓｐｅｅｄ ｒｏａｄ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｏｆ ｃｏｌｕｍｎ ｐｉｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｉｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｐａｎｅｌｓ，ｆｌａｎｇｅｓ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｐｌａｔｅｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｕｎｉｔｓ，ｌａｔｅｒａｌ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｉｂｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｂｅａｍ ｕｎｉｔｓ ａｎｄ ｆｉｘｅｄ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｕｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｕｍｎ ｐｉｅｒ ｓｔｅｅｌ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｄｅｓｉｇｎ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｌｕｍｎ ｐｉｅｒ；ｓｔｅｅｌ ｆｏｒｍｗｏｒｋ；ｄｅｓｉｇｎ （责任编辑：郎伟锋）
