鋼筋混凝土箱形拱橋施工控制仿真分析

郝繼峰 姚 慶 耿永魁

(1.陜西通宇公路研究所有限公司，陜西西安 710000;2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710075;3.陜西凱達(dá)公路橋梁工程建設(shè)有限公司，陜西西安 710074)

1 工程背景

某橋?yàn)殇摻罨炷料湫喂皹?，荷載等級(jí):公路Ⅰ級(jí)，橋?qū)?2 m，主跨采用凈跨L0=66 m，凈矢高f0=11 m，矢跨比為1/6的等截面懸鏈箱形拱橋。主拱圈為單箱三室整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，頂板、腹板、底板厚均為0.2 m，箱高1.3 m。立柱支撐處拱圈設(shè)置0.6 m厚順立柱支撐方向橫隔板，兩立柱之間加設(shè)一道0.2 m厚豎向橫隔板。邊跨及拱上行車道板采用現(xiàn)澆實(shí)心板。主拱圈及拱腳采用C40混凝土，拱座采用C30混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，置于弱風(fēng)化新鮮巖層內(nèi)不少于0.5 m。主橋的總體布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 主橋總體布置圖

2 仿真計(jì)算

2.1 計(jì)算模型建立

為了準(zhǔn)確的計(jì)算橋梁在各階段的受力情況，為施工監(jiān)控提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，采用MIDAS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，主拱圈底板、腹板、頂板、橫隔板和立柱采用板單元，貝雷桁架片及橫向聯(lián)系槽鋼、行車道板采用梁?jiǎn)卧?，?jì)算模型如圖2所示。

圖2 主橋施工模型簡(jiǎn)圖

模板等臨時(shí)施工荷載以均布荷載形式加于貝雷桁架片上，施工過(guò)程中底板濕重以節(jié)點(diǎn)荷載的形式加于貝雷桁架片上，腹板及頂板濕重分別加于底板和腹板的相關(guān)節(jié)點(diǎn)上?，F(xiàn)澆箱梁與拱架之間用只受壓彈簧連接進(jìn)行模擬。行車道板現(xiàn)澆支架臨時(shí)施工荷載以分段均布荷載形式加于頂板單元上。橋面鋪裝及墻式護(hù)欄按均面荷載形式加于行車道板上。

2.2 施工階段劃分

按照擬定的施工順序:在鋼拱架上立模，現(xiàn)澆主拱圈，應(yīng)按分段、分環(huán)和縱、橫向?qū)ΨQ均衡的原則進(jìn)行加載。可按底板、腹板、頂板三環(huán)施工，前一環(huán)合龍并達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行下一環(huán)的施工。進(jìn)行施工階段劃分，共劃分為27個(gè)施工階段，本文僅對(duì)澆筑完成底板、腹板、頂板混凝土，完成上部結(jié)構(gòu)，運(yùn)營(yíng)5年等階段的拱架及主拱圈結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行介紹。

2.3 鋼拱架計(jì)算

主拱圈現(xiàn)場(chǎng)就地澆筑，施工拱架采用貝雷桁架片拼裝而成，主拱圈參與受力前，施工拱架作為主要承重構(gòu)件承受主拱圈混凝土濕重及施工模板、機(jī)具等臨時(shí)荷載。貝雷桁架片容許內(nèi)力以貝雷桁架片力學(xué)性質(zhì)決定，即彎矩、剪力和軸力的允許值為限值進(jìn)行評(píng)價(jià)，在各施工階段中貝雷桁架片任何部位的內(nèi)力均不能大于該允許內(nèi)力值，否則視為不滿足要求。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～表5。

表1 施工拱架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(彎矩)

表2 施工拱架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(剪力)

表3 施工拱架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(軸力)

表4 施工拱架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表5 施工拱架撓度計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，各施工階段施工拱架的各項(xiàng)受力指標(biāo)均滿足材料允許值，且安全儲(chǔ)備較大，安全可靠。

2.4 主拱圈計(jì)算

計(jì)算中對(duì)主拱圈混凝土及上部荷載按下列原則考慮，主拱圈各階段計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6，表6，表7。

圖3 底板混凝土參與受力，腹板1澆筑

圖4 腹板混凝土參與受力，頂板1澆筑

圖5 頂板混凝土參與受力，拆除拱架

圖6 橋面系施工

1)底板、腹板、頂板單元均根據(jù)實(shí)際施工順序分環(huán)分段參與結(jié)構(gòu)受力;2)在現(xiàn)澆主拱圈箱梁底板過(guò)程中(底板尚未形成強(qiáng)度)，將底板自重按底板濕重荷載進(jìn)行處理，此時(shí)底板不參與結(jié)構(gòu)受力;3)在現(xiàn)澆主拱圈箱梁腹板過(guò)程中(底板已經(jīng)形成強(qiáng)度，腹板尚未形成強(qiáng)度)，將腹板自重按腹板濕重荷載進(jìn)行處理，此時(shí)底板參與結(jié)構(gòu)受力，而腹板不參與結(jié)構(gòu)受力;4)在現(xiàn)澆主拱圈箱梁頂板過(guò)程中(腹板已經(jīng)形成強(qiáng)度，頂板尚未形成強(qiáng)度)，將頂板自重按頂板濕重荷載進(jìn)行處理，此時(shí)底板和腹板共同參與結(jié)構(gòu)受力，而頂板不參與結(jié)構(gòu)受力;5)為考慮設(shè)計(jì)活載作用的影響，行車道板按梁格法進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)模擬。

表6 主拱圈應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表7 主拱圈撓度計(jì)算結(jié)果

從上述圖表可以看出，各施工階段及成橋階段主拱圈應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且均小于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，安全儲(chǔ)備較大，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好;成橋后主拱圈撓度較大，應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度。由于在鋼拱架拼裝完成并組拼主拱圈底模系統(tǒng)后進(jìn)行100%預(yù)壓，可以完全消除其非彈性變形，而鋼拱架在自重及主拱圈模板等施工荷載作用下的變形已經(jīng)完成。調(diào)整主拱圈底模板標(biāo)高時(shí)只考慮:鋼拱架在主拱圈混凝土分段分層澆筑過(guò)程中的累計(jì)變形、鋼拱架拆除后主拱圈在自重及后續(xù)拱上結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中累計(jì)變形、成橋后在運(yùn)營(yíng)荷載作用下的長(zhǎng)期變形值(即成橋預(yù)拱度)。根據(jù)理論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)，在跨中設(shè)成橋預(yù)拱度31.0 mm。預(yù)拱度按二次拋物線在孔內(nèi)其他點(diǎn)分配。

3 結(jié)語(yǔ)

拱橋作為一種古老的結(jié)構(gòu)形式在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛，近年來(lái)，隨著建筑材料及施工工藝水平的不斷提高，拱橋的跨度不斷增加，結(jié)合施工過(guò)程的仿真分析顯得尤為重要。拱橋施工步驟較多，施工中各截面位移、應(yīng)力不斷變化，因此，在施工中開(kāi)展監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作，通過(guò)對(duì)各主要控制斷面的應(yīng)力、應(yīng)變及變形的測(cè)量，能準(zhǔn)確地了解該結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件在施工的每個(gè)階段實(shí)際的受力狀況，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。準(zhǔn)確、可靠的結(jié)構(gòu)計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)互相校核、修正，是保證拱橋施工安全、成橋階段受力狀態(tài)良好的重要保障。

本文以某鋼筋混凝土箱形拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)建立實(shí)橋有限元模型，對(duì)該橋在施工過(guò)程中各個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行分析，為施工提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，也為同類橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供了參考。

［1］ 徐君蘭，項(xiàng)海帆.大跨度橋梁施工控制［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］ 賀栓海.橋梁結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］ 魏劍鋒.特大跨度鋼筋混凝土拱橋施工過(guò)程及成橋狀態(tài)靜力分析計(jì)算［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［4］ 姚 慶.大跨度拱橋施工受力分析與控制［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

［5］ 師海宗.柳州市陽(yáng)和大橋主橋施工線型控制［J］.山西建筑，2011，37(2):172-173.