CN114491757B - 基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开种基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法，定位精确度高、施工质量好、安全可靠。本发明方法，包括如下步骤：(10)三维体积模型建立：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型；(20)桥梁异形墩柱细节修正：对所述桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型进行细节修正；(30)内部钢筋笼模型构建：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立内部钢筋笼模型，并与混凝土三维体积模型重合，得到桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型；(40)材料重度赋值：对所述桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型中的各种材料赋予重度值；(50)吊装模拟计算：根据有限元分析方法和力矩平衡原理，定位墩柱重心。
Description
技术领域
本发明属于土木工程装配式施工技术领域，特别是一种基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法。
背景技术
装配式桥梁墩柱是采用预制拼装技术，将混凝土墩柱在工厂提前预制，运输至施工现场后，通过吊装安装和灌浆套筒连接，将墩柱与下部承台进行可靠连接，完成装配式施工。该过程将传统建造方式中的大量现场作业转移到工厂进行，节省了现场施工面积的工期，具有大型化、工厂化、标准化、智能化等优势。装配式生产是国家大力推进的建筑业发展方向，符合国家“双碳”战略的要求和方向。
装配式桥梁墩柱连接依靠灌浆套筒的准确对接，非常依赖于墩柱吊装的水平精度，一般认为误差超过3％即无法完成施工、超过1％即明显影响灌浆套筒质量和施工效率。
但是，由于桥梁墩柱体型重量巨大且大多为不对称的“花瓶状”结构，很多甚至是在三个轴线上均不对称的异形墩柱，这给墩柱重心的精确定位造成了困难。而异形墩柱重心的精确定位直接关系到吊装过程的水平度和安全性。
目前，对异形墩柱重心的定位采用基于经验的粗略估算方法，在规则墩柱的重心位置基础上，根据异形偏向的程度，人为对重心水平坐标进行增减，如果出现墩柱水平度误差过大而无法完成施工，则根据情况重新修正定位。
传统经验方法具有以下缺点：(1)吊点容易返工，影响工期和施工成本；(2)水平精度较低导致灌浆套筒对接不均匀，影响连接强度和施工质量；(3)普适性差，对于不同型号的异形墩柱只能重新估算，且依赖于人为经验判断；(4)如果重心定位误差过大，可能出现墩柱倾斜等工程安全隐患。
总体而言，现有方法存在施工效率较低、吊点容易返工、套筒连接质量差、依赖人为经验、安全隐患等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法，定位精确度高、施工质量好、安全可靠。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法，包括如下步骤：
(10)三维体积模型建立：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型；
(20)桥梁异形墩柱细节修正：对所述桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型进行细节修正，包括根据所述三维体积模型中，混凝土桥梁异形墩柱上不同圆弧段的圆心和圆弧曲线，将圆弧段与直线段平滑衔接；
(30)内部钢筋笼模型构建：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立内部钢筋笼模型，包括将纵向钢筋、横向箍筋的长度尺寸正确反应于钢筋笼模型，将所述混凝土三维体积模型与钢筋笼模型重合，得到桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型；
(40)材料重度赋值：对所述桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型中的各种材料赋予重度值，包括混凝土体积密度和钢筋差值线密度；
(50)吊装模拟计算：采用有限元分析方法模拟异形墩柱的重力作用，根据力矩平衡原理，定位墩柱重心，并对吊装荷载进行安全验算。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、定位精确度高：本发明通过数学模型计算代替了传统人工计算，解决了桥梁异形墩柱重心难以定位、装配式施工对接中水平精度较低的难题，精确定位重心和吊点，保障了装配式异形墩柱与承台对接的顺利施工。
2、施工质量好：本发明方法通过对异形墩柱吊点和承台钢筋的定位，使得对接过程伸出钢筋的居中度更优、灌浆套筒的密实度更好，提高了连接部位的强度，提高了装配式对接的施工质量。
3、施工效率高：本发明方法避免了传统方法中由于装配式对接不准确而造成了吊点返工现象，提高了墩柱内置套筒和承台伸出钢筋的定位准确度，节省了施工时间，提高了施工效率，
4、安全可靠：相比传统计算方法，数学模型模拟吊装施工过程能够进一步提高了施工安全，可以提前对施工中受力不平衡等危险情况进行报警和排除，对施工设备的吨位型号和施工方式进行校准验算。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法的主流程图。
图2是图1中吊装模拟计算步骤的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法，包括如下步骤：
(10)三维体积模型建立：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型；
首先将设计图纸建立混凝土墩柱三维体积模型，对于电子版图纸，可直接通过CAD导入Revvit或Midas等模型软件。此为本领域成熟技术，不再赘述。
(20)桥梁异形墩柱细节修正：对所述桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型进行细节修正，包括根据所述三维体积模型中，混凝土桥梁异形墩柱上不同圆弧段的圆心和圆弧曲线，将圆弧段与直线段平滑衔接；
异形墩柱细节修正，根据墩柱上部分不同圆弧段的圆心和圆弧曲线，将圆弧段与直线段平滑衔接，墩柱靠近底座部分的“台阶状”突出应注意修正。
(30)内部钢筋笼模型构建：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立内部钢筋笼模型，包括将纵向钢筋、横向箍筋的长度尺寸正确反应于钢筋笼模型，将所述混凝土三维体积模型与钢筋笼模型重合，得到桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型；
构建内部钢筋笼的钢筋模型，依据设计图纸，将纵向钢筋、横向箍筋等长度尺寸正确反应于钢筋笼模型，然后将混凝土模型和钢筋笼模型重合，
(40)材料重度赋值：对所述桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型中的各种材料赋予重度值，包括混凝土体积密度和钢筋差值线密度；
优选地，钢筋差值线密度根据混凝土体积密度和钢筋密度按下式计算得到，
ρl＝3.14*rs*rs*(ρs-ρc),
式中，ρl为钢筋差值线密度，ρc为混凝土体积密度，常取2400kg/m3°，ρs为钢材体积密度，常取7800kg/m3，rs为钢筋半径。
例如，对于常用的20mm直径钢筋，其线密度为：
3.14*rs*rs*(ρs-ρc)＝1.696kg/m。
式中，ρc为混凝土体积密度，为2400kg/m3。，ρs为钢材体积密度7800kg/m3。rs为钢筋半径，此处为0.01m
不同材料的重度赋值，对于钢筋混凝土结构，混凝土采用体积密度2400kg/m3，钢筋采用线密度差值计算。例如，钢筋密度7800kg/m3，钢筋与混凝土密度差值为(7800-2400)kg/m3，20mm直径钢筋的线密度为3.14*0.01*0.01*(7800-2400)＝1.696kg/m。将计算所得混凝土体积密度和钢筋差值线密度输入模型，完成体积模型的重度赋值。
(50)吊装模拟计算：采用有限元分析方法模拟异形墩柱的重力作用，根据力矩平衡原理，定位墩柱重心，并对吊装荷载进行安全验算；
重力与吊装模拟计算。以竖直向下作用模拟重力，以竖直向上作用模拟吊装力，结合重度赋值，采用有限元分析方法模拟异形墩柱的重力作用，根据力矩平衡原理，定位墩柱重心，并对吊装荷载进行安全验算。
所述(50)吊装模拟计算步骤包括：
(51)墩柱重心定位：以竖直向下作用模拟重力，以竖直向上作用模拟吊装力，结合重度赋值，采用有限元分析方法模拟异形墩柱的重力作用，根据力矩平衡原理，定位墩柱重心；
(52)吊装荷载安全验算：根据双吊点局部极限应力，进行吊装荷载安全验算。
墩柱双吊点定位施工。考虑工程实际和稳定性，采用双吊点设计，双吊点的中点应与墩柱重心在平面上重合，以确保异形墩柱底部平面的水平精度，为装配式对接提供条件。验算双吊点处垫板的极限应力，避免吊装过程中的局部破坏。
作为本发明的现场应用，异形墩柱重心定位之后，还可以包括如下步骤：
(60)异形墩柱吊装：对异形墩柱的运输吊装过程进行同步模拟，对起吊过程和装配式对接的构件水平度信息进行检测和对比，同时对施工过程中危险受力状态进行验算。
所述(60)异形墩柱吊装步骤包括：
利用模型，在重力模拟值施加稳定后，逐步增大吊点力，观察受力云图(下图)的变化过程，应力较大区域以红色渐变方向标识，并校核吊点位置(上面的两个方块)的安全性，直至吊点力增大至与重力模拟值相同，即结束。该过程中如发现出现局部应力大于限值(限值根据不同部位材料的设计拉应力计算，例如混凝土材料应力、钢筋材料应力等)，则判定为危险情况，应重新进行构件设计。
另，在吊装过程中观察模拟构件与真实构件的位移、角度差异，吊装过程中如超过3％，说明吊装施工出现失误操作或设备问题，应暂定吊装过程并排查。
异形墩柱的吊装。对异形墩柱的运输吊装过程进行同步模拟，对起吊过程和装配式对接的构件水平度等信息进行检测和对比，同时对施工过程中危险受力状态进行验算。
采用本发明方法，在江苏省扬州市江平西路二期(润扬北路互通式立交)非涉铁段工程中进行了装配式异形墩柱吊装试验，吊装水平度误差不超过0.15％，较好地实现了水平度误差小于1％的预期目标。
Claims (3)
1.一种基于重度数学模型的装配式桥梁异形墩柱重心定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
三维体积模型建立：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型；
桥梁异形墩柱细节修正：对所述桥梁异形墩柱的混凝土三维体积模型进行细节修正，包括根据所述三维体积模型中，混凝土桥梁异形墩柱上不同圆弧段的圆心和圆弧曲线，将圆弧段与直线段平滑衔接；
内部钢筋笼模型构建：根据混凝土墩柱的设计图纸，建立内部钢筋笼模型，包括将纵向钢筋、横向箍筋的长度尺寸正确反应于钢筋笼模型，将所述混凝土三维体积模型与钢筋笼模型重合，得到桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型；
材料重度赋值：对所述桥梁异形墩柱钢筋混凝土结构模型中的各种材料赋予重度值，包括混凝土体积密度和钢筋差值线密度；
吊装模拟计算：采用有限元分析方法模拟异形墩柱的重力作用，根据力矩平衡原理，定位墩柱重心，并对吊装荷载进行安全验算；
所述钢筋差值线密度按下式计算得到，
ρl＝3.14*rs*rs*(ρs-ρc),
式中，ρl为钢筋差值线密度，ρc为混凝土体积密度，取2400kg/m3，ρs为钢材体积密度，取7800kg/m3，rs为钢筋半径。
2.根据权利要求1所述的异形墩柱重心定位方法，其特征在于，所述吊装模拟计算步骤包括：
墩柱重心定位：以竖直向下作用模拟重力，以竖直向上作用模拟吊装力，结合重度赋值，采用有限元分析方法模拟异形墩柱的重力作用，根据力矩平衡原理，定位墩柱重心；
吊装荷载安全验算：根据双吊点局部极限应力，进行吊装荷载安全验算。
3.根据权利要求1至2之一所述的异形墩柱重心定位方法，其特征在于，在所述吊装模拟计算步骤之后，还包括如下步骤：
异形墩柱吊装：对异形墩柱的运输吊装过程进行同步模拟，对起吊过程和装配式对接的构件水平度信息进行检测和对比，同时对施工过程中危险受力状态进行验算。
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