新建鐵路四線鋼箱系桿拱橋施工支架仿真分析

蔣宗全，高金亮，唐繼舜，陳雙權(quán)，朱浩波，李廷鈺

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)，北京 100048;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031;3.中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

新建鐵路四線鋼箱系桿拱橋施工支架仿真分析

蔣宗全1，高金亮2，唐繼舜2，陳雙權(quán)3，朱浩波1，李廷鈺3

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)，北京 100048;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031;3.中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

新建鐵路跨濟(jì)兗公路特大橋，選用兩跨96 m下承式四線鋼箱系桿拱橋，采用支架原位拼裝施工。為保證施工支架的穩(wěn)定性并控制支架變形，在施工過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)時(shí)施工支架仿真分析。本文采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了有限元仿真模型，模擬橋梁施工過(guò)程中支架的受力和變形狀況，分析了各工況下支架的變形和穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較分析，驗(yàn)證了施工支架的可行性和合理性。

鋼箱系桿拱橋 滿布支架 仿真分析

大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，施工過(guò)程中體系轉(zhuǎn)換次數(shù)多，使得傳統(tǒng)的分析方法無(wú)法準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的狀態(tài)。采用橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析則能真實(shí)地模擬橋梁施工各工況下的幾何模型，邊界條件，以及由溫度變化，支座沉降等產(chǎn)生的荷載，為橋梁施工控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。本文采用仿真分析方法研究鋼箱系桿拱橋支架法原位拼裝施工過(guò)程。

1 橋梁結(jié)構(gòu)形式及支架布置

跨濟(jì)兗公路特大橋中的鋼箱系桿拱橋是北京至上海新建鐵路中的一座重要橋梁。四線96 m的下承式簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋在國(guó)內(nèi)是首次采用(一次建成四線橋)，中間雙線為高速正線，兩邊為聯(lián)絡(luò)線。上部結(jié)構(gòu)分為鋼箱拱、鋼箱梁、拱肋橫撐、吊桿索及錨點(diǎn)構(gòu)造、兩端支座、兩端橫向限位裝置及現(xiàn)澆混凝土橋面板。主拱肋理論拱軸線采用二次拋物線，實(shí)際拱軸線以折代曲，兩折線交點(diǎn)為吊索中心線與理論拱軸線交點(diǎn)，折線間采用圓弧過(guò)渡。主拱跨徑96 m，矢高19.2 m，矢跨比1∶5。兩主拱間中心距11.68 m，兩拱肋通過(guò)5道鋼箱橫撐連接，吊桿索水平投影間距為5 m。拱肋采用箱形截面，箱寬1.2 m，高度由跨中處2.8 m變化至拱腳處5.5 m。鋼箱梁長(zhǎng)98 m，采用梁高3 m等截面單箱9室截面，頂寬25.7 m，底寬22.5 m，橋面采用正交異性板構(gòu)造。該橋位于濟(jì)南市西南，跨越濟(jì)兗公路和高速公路的匝道及輔道。由于橋下凈空較小，所以本橋采用支架原位拼裝施工方案。鋼箱梁在支架原位拼裝架設(shè)，鋼拱肋在鋼箱梁上拼裝架設(shè)。

鋼箱系桿拱采用滿布鋼管支架原位拼裝施工。在公路路面及臨時(shí)地基上搭設(shè)支架，吊裝鋼箱梁，之后在鋼箱梁上搭設(shè)拱肋支架。鋼箱梁臨時(shí)支柱采用φ559 mm×10 mm鋼管，橫橋向分為左右兩組，每組4根，每組鋼管橫橋向采用20a槽鋼交叉連接，鋼管支架支撐于經(jīng)過(guò)處理的地基上。下部鋼箱梁安裝完成后，在鋼箱梁上搭設(shè)拱肋吊裝支架。每半跨單片拱肋下設(shè)5個(gè)臨時(shí)支柱，臨時(shí)支柱采用φ630 mm×10 mm螺旋鋼管，每個(gè)臨時(shí)支柱鋼管縱橫向采用20a槽鋼連接。臨時(shí)支柱底部設(shè)置墊座，頂端安裝可調(diào)拖撐，該可調(diào)拖撐既可精確調(diào)整高程，亦可作為卸落設(shè)備。支架布置保證兩個(gè)原則：①滿足結(jié)構(gòu)要求，滿足拱橋的施工線形要求，且在施工時(shí)變形不能超過(guò)規(guī)范要求;②滿足施工安全要求，必須對(duì)施工穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。鋼箱梁支架斷面圖如圖1所示。

圖1 鋼箱梁支架斷面(單位：cm)

2 橋梁三維有限元模型

考慮到橋面鋼箱梁寬跨比較大，地基未進(jìn)行預(yù)壓，基礎(chǔ)不均勻沉降大，橋梁空間結(jié)構(gòu)行為較為突出。為了能夠全面、準(zhǔn)確地掌握支架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀況，采用ANSYS對(duì)全橋施工過(guò)程進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)仿真分析。全橋各構(gòu)件均按實(shí)際工程中的截面形式模擬，考慮縱向板肋、U肋、橫隔板、腹板及腹板加勁肋，橋面鋼箱梁和拱肋箱梁結(jié)構(gòu)采用三維板單元shell63模擬，用實(shí)常數(shù)輸入法輸入各實(shí)際截面的板厚。支架采用管單元pipe16模擬，基礎(chǔ)和地基采用實(shí)體單元 solid45模擬。施工支架與橋面系和拱肋的連接通過(guò)耦合相同位置的節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬，支架與基礎(chǔ)、鋼箱梁和拱肋的連接均采用鉸接進(jìn)行模擬。全橋仿真模型共劃分為145 702個(gè)單元和131 630個(gè)節(jié)點(diǎn)，全橋及支架仿真模型如圖2所示，有限元模型拱腳段構(gòu)造如圖3所示。

圖2 全橋及支架仿真模型

圖3 有限元模型拱腳段構(gòu)造

3 仿真計(jì)算與分析

跨濟(jì)兗公路特大橋中的鋼箱系桿拱橋采用支架原位拼裝法施工，橋面鋼箱梁的拼裝分為17個(gè)階段，拱肋的拼裝分為6個(gè)階段。橋梁施工過(guò)程中比較重要的控制參數(shù)是地基及支架的變形、穩(wěn)定系數(shù)和失穩(wěn)狀態(tài)。在施工過(guò)程中，支架各支柱的應(yīng)力和位移隨施工進(jìn)程不斷發(fā)生變化，因此仿真分析需要得到各個(gè)施工階段下支架的應(yīng)力、位移，看是否滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求?？紤]支架與地基的不同連接方式，建立兩種模型：一種是鋼箱梁與支架一起建模，支架底部鉸接，另一種是鋼箱梁、支架與地基共同建模。通過(guò)比較分析得出三者共同建模較為合理，并得到可能的最不利狀態(tài)，在最不利狀態(tài)下利用強(qiáng)度理論對(duì)支架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算。

圖4給出了鋼箱梁支架支柱、斜撐的最大應(yīng)力隨施工工況的變化情況。地基的彈性變形使鋼箱梁支架各支柱發(fā)生內(nèi)力重分布，支架各支柱的受力更加合理。在橋面的拼裝過(guò)程中，支架應(yīng)力曲線變化不大。鋼箱梁支架的最大應(yīng)力從第四工況后變大，這是由于支架從第四排開始支柱由8根變?yōu)榱?根，導(dǎo)致支架變形增大。第四工況以后，支柱最大壓應(yīng)力變化不大，在22 MPa左右變化，斜撐的最大應(yīng)力在30 MPa左右。在拱肋的架設(shè)過(guò)程中，由于拱肋支架支撐于鋼箱梁上，拱肋的重量通過(guò)拱肋支架傳遞給鋼箱梁的腹板，所以支柱壓應(yīng)力有明顯的增大，最大值通常發(fā)生在鋼箱梁腹板對(duì)應(yīng)的支柱上。且該支柱與橫梁的連接處承受較大的軸力和彎矩的聯(lián)合作用，因此支柱應(yīng)力較大，支架支柱實(shí)為壓彎構(gòu)件。鋼箱梁支架支柱和斜撐的最大壓應(yīng)力發(fā)生在拱肋合龍前一階段，最大值44.6 MPa，小于容許抗壓強(qiáng)度140×1.3=182 MPa(1.3為臨時(shí)結(jié)構(gòu)提高系數(shù))，滿足規(guī)范要求。由仿真分析結(jié)果可知，由于仿真分析模型中鋼支架的每一根桿件是作為空間桿單元來(lái)處理的，因而可以方便地求得每一根桿件的內(nèi)力，及內(nèi)力最大桿件的具體位置。

圖4 鋼箱梁支架最大應(yīng)力隨著施工工況的變化

圖5給出了鋼箱梁支架支柱最大位移隨著施工工況的變化情況。在鋼箱梁架設(shè)過(guò)程中，鋼箱梁支架支柱的位移變化不大，徘徊在3.5～4.0 mm之間，在第四工況稍微有所下降。支架支柱在考慮地基沉降后的最大豎向位移在拱肋合龍前達(dá)到最大，最大值為6.1 mm。在實(shí)際工程中，地基的沉降速度與土的各種指標(biāo)有關(guān)，地基的沉降量隨著時(shí)間不斷增大，沉降速度隨著時(shí)間不斷變小。模型中模擬的鋼箱梁支架支柱的最大位移應(yīng)該是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，地基的彈性變形量。實(shí)際工程中最大位移量不可能減小，所以第四工況位移的變小可以不采用。在拱肋的架設(shè)過(guò)程中，鋼箱梁支架的位移變化比較大。這里的計(jì)算結(jié)果是采用土的彈性模量計(jì)算的，沒有考慮土及支架連接處的非彈性變形，因此必須對(duì)文中計(jì)算結(jié)果根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)值做修正才是實(shí)際的變形量。

圖5 鋼箱梁支架支柱最大位移隨著施工工況的變化

在相同的模型與荷載條件下，鋼箱梁支架與鋼箱梁的邊界條件由固接變?yōu)殂q接將降低支架整體穩(wěn)定安全系數(shù)，后者約為前者的90%，且后者結(jié)構(gòu)變形大于前者。按照第二類穩(wěn)定分析，在穩(wěn)定分析中通過(guò)桿件軸力來(lái)考慮幾何非線性對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，由于桿件應(yīng)力較低，幾何非線性對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響并不大。圖6給出了鋼箱梁支架一階失穩(wěn)模態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)隨著施工工況的變化情況，全橋施工階段的穩(wěn)定性系數(shù)在拱肋合龍前最小，為9.26＞4。由各工況下的一階屈曲模態(tài)可知，支架最先失穩(wěn)的部位是支架的斜撐，支架支柱的穩(wěn)定性高于連接系的穩(wěn)定性，說(shuō)明鋼箱梁支架設(shè)計(jì)合理。同時(shí)由計(jì)算可知：全橋架設(shè)過(guò)程中的穩(wěn)定性是有保證的。

圖6 鋼箱梁支架穩(wěn)定系數(shù)隨著施工工況的變化

4 結(jié)語(yǔ)

本文用ANSYS對(duì)96 m下承式鋼箱系桿拱橋的施工支架作了詳細(xì)的分析，得出三維有限元模型能夠較好地模擬橋梁的整個(gè)施工過(guò)程。通過(guò)各個(gè)施工階段的模擬，得出支架中各桿件受力合理，能夠保證施工過(guò)程的安全。

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U445.34

B

1003-1995(2011)03-0028-03

2010-09-15;

2010-12-06

蔣宗全(1963— )，男，四川綿陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 趙其文)