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      西溪河特大跨度鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工控制

      2015-12-17 03:51:47韋有波
      鐵道建筑 2015年12期
      關(guān)鍵詞:慣性力拱圈轉(zhuǎn)體

      韋有波

      (中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北唐山063000)

      西溪河特大跨度鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工控制

      韋有波

      (中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北唐山063000)

      采用轉(zhuǎn)體法施工的鋼管混凝土拱橋,當(dāng)拱圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中突然停止時(shí),拱圈將承受慣性力、自重和風(fēng)荷載作用,可能產(chǎn)生較大變形,引起結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn),造成工程事故。以西溪河大橋轉(zhuǎn)體施工過程中拱腳局部鋼板屈曲為控制目標(biāo),通過理論推導(dǎo)和有限元分析,給出了風(fēng)速、拱圈轉(zhuǎn)速、扣索拉力和急停時(shí)間之間的關(guān)系表達(dá)式,提出西溪河大橋拱圈轉(zhuǎn)體施工保守轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)控制在0.01 rad/s以內(nèi)。

      拱橋 轉(zhuǎn)體法 施工控制 屈曲分析

      鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工法的要旨是將拱圈分為兩個(gè)半跨,分別在拱跨兩側(cè)利用地形和臨時(shí)支架預(yù)拼裝半拱,然后通過拱腳轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及相應(yīng)動(dòng)力牽引裝置將兩個(gè)半跨拱體逐步轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)計(jì)拱軸線位置合龍成拱[1]。

      目前,關(guān)于轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的研究不少。范應(yīng)心[2]對(duì)黃柏河、下牢溪兩座鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工進(jìn)行了研究,對(duì)轉(zhuǎn)體施工方案、施工布置、安全技術(shù)措施、施工誤差等提出了要求;田仲初等[3]根據(jù)一階最優(yōu)化計(jì)算理論,構(gòu)建了采用液壓同步提升技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工拱橋的優(yōu)化有限元模型,將優(yōu)化計(jì)算理論應(yīng)用到拱橋液壓同步提升轉(zhuǎn)體施工控制中;孫全勝等[4]研究了斜拉橋平轉(zhuǎn)施工過程中溫度效應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)日照方位的變化會(huì)引起斜拉橋轉(zhuǎn)體施工產(chǎn)生不對(duì)稱偏移,使轉(zhuǎn)盤中心處產(chǎn)生不平衡力矩,引起結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜;車曉軍等[5]研究了轉(zhuǎn)體施工橋梁大噸位球鉸徑向應(yīng)力,提出了一種優(yōu)化計(jì)算方法,并結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,從理論上確保球鉸設(shè)計(jì)合理可靠;晏敬東等[6]對(duì)高墩轉(zhuǎn)體T構(gòu)施工控制技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了轉(zhuǎn)體施工過程中的控制標(biāo)準(zhǔn)和方法。

      然而在拱圈旋轉(zhuǎn)施工中,拱圈轉(zhuǎn)動(dòng)的速度是最主要的控制因素,它們影響著轉(zhuǎn)體施工的安全和轉(zhuǎn)體質(zhì)量。同時(shí)由于在轉(zhuǎn)體過程中需要將拱圈分為兩個(gè)半跨,此時(shí)拱圈相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu),拱圈的橫向剛度較差,當(dāng)拱圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中突然停止時(shí),拱圈會(huì)承受慣性力、自重和風(fēng)荷載作用;這些荷載的方向和大小不同,其合力作用方向也會(huì)產(chǎn)生變化,當(dāng)合力作用方向的拱圈抗彎剛度較小時(shí),拱圈可能會(huì)產(chǎn)生較大變形或結(jié)構(gòu)鋼板局部失穩(wěn),對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。關(guān)于鋼管混凝土拱圈穩(wěn)定性研究目前主要有:詹豪等[7]研究了鋼箱梁和混凝土薄壁箱梁受壓翼緣的穩(wěn)定問題,基于狀態(tài)—空間向量法,給出了一種計(jì)算方法,該方法可以用于彈性支承連續(xù)矩形薄板彈性屈曲分析;李亮等[8]為了研究核心筒支撐作用對(duì)屈曲模態(tài)和屈曲臨界荷載的影響,建立了鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化力學(xué)模型,并在大量有限元分析的基礎(chǔ)上,研究了鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)體系中框架和支撐兩部分之間的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系對(duì)屈曲模態(tài)的影響。

      有鑒于此,本文結(jié)合新建鐵路成都至貴陽線樂山至貴陽段西溪河特大橋,對(duì)其轉(zhuǎn)體施工過程中拱圈的受力進(jìn)行研究,提出轉(zhuǎn)體控制速度的限值。

      圖1 西溪河大橋立面

      1 工程概況

      西溪河大橋主橋?yàn)樯铣惺絏形鋼管混凝土提籃拱橋,跨距為240 m,如圖1所示。拱圈是由2條拱肋和橫向聯(lián)結(jié)系構(gòu)成,拱肋橫向內(nèi)傾7.5°,拱趾處橫橋向中心間距23.192 m,拱頂拱肋中心間距8.71 m,主拱在其傾斜平面內(nèi)拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=2.2,矢跨比約1/4.364。拱肋高5.7 m,寬3.0 m,每肋由4肢φ 1 100 mm×20 mm鋼管構(gòu)成,其上下弦是由2肢鋼管與2塊20 mm厚的鋼板聯(lián)結(jié)成啞鈴形,并且沿拱肋全長(zhǎng)采用等截面(圖2);從拱趾處向拱肋兩端各約53.0 m范圍內(nèi)的上下弦之間是由2塊16 mm厚的鋼板聯(lián)結(jié),使拱肋斷面形成箱形結(jié)構(gòu)。拱肋的中部其上、下弦之間通過H形腹桿(H600 mm×500 mm× 20 mm×20 mm)連接形成拱式桁架。

      圖2 拱腳處橫斷面(單位:mm)

      2條拱肋之間其上、下弦采用φ800 mm×20 mm (平聯(lián)直管)以及φ600 mm×16 mm(平聯(lián)斜管)鋼管組成的多道Ж字形的平聯(lián)聯(lián)結(jié);上、下弦平聯(lián)之間采用φ450 mm×16 mm(豎管)鋼管斜向聯(lián)結(jié),以此組成拱肋橫向聯(lián)結(jié)系。

      2 板的屈曲理論分析[9]

      拱圈在轉(zhuǎn)體過程突然停止時(shí),在慣性力和風(fēng)荷載作用下,靠近拱腳處會(huì)產(chǎn)生較大的平面外彎矩,使拱肋上兩肢鋼管間的腹板處于受壓狀態(tài),如圖3所示[9]。當(dāng)壓應(yīng)力σx逐漸增加到一定數(shù)值即翹曲臨界應(yīng)力時(shí),平板就會(huì)開始翹曲。板的翹曲撓度用ω表示。

      圖3 矩形薄板的撓曲

      板翹曲以后,板中面的撓曲方程式可以表達(dá)為

      式中:D為板的單位寬度的抗彎剛度,D=Et3/[12× (1-v3)];v為泊松比;t為板的厚度。

      方程式(1)的解可以寫成雙重三角級(jí)數(shù)

      式中:m=1,2,3,…,n=1,2,3,…,分別表示在x和y方向板撓曲的半波數(shù)目;Cmn為待定常數(shù)。

      式(2)能夠滿足固定板的邊界條件,即在x=0,x=a和y=0,y=b處,板支點(diǎn)上的撓度和轉(zhuǎn)角滿足邊界條件。將式(2)代入式(1)中,可以得到以下方程

      由此可得板的撓曲臨界應(yīng)力

      為了得到最小的臨界應(yīng)力,顯然應(yīng)有n=1,這就是說,在y方向板撓曲成一個(gè)半波。至于m的具體值,則須視板長(zhǎng)比α=a/b而定。

      將上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化,則有

      式中,k為板的撓曲系數(shù),k=(m/α+α/m)2。

      相關(guān)研究可知,對(duì)于兩邊(y向)固結(jié)的板,其翹曲系數(shù)k=6.97,y向撓曲半波長(zhǎng)l0=0.67b。則此時(shí)板的撓曲臨界應(yīng)力為

      3 風(fēng)速與拱肋轉(zhuǎn)速關(guān)系方程

      由力學(xué)知識(shí)可知,應(yīng)力和外力的關(guān)系為

      1)軸力N的計(jì)算

      單支拱肋受力示意如圖4。

      圖4 單支拱肋受力示意

      對(duì)半拱單支拱肋進(jìn)行受力分析,在計(jì)算單支拱肋軸力時(shí),忽略拱肋之間的橫向聯(lián)系引起的拱肋軸力??梢灾绬沃Ч袄咻S力

      因此

      式中:θ為拱肋軸線平面內(nèi)拱腳與水平方向夾角;φ為拱肋軸線與豎直平面的傾角;gx為拱肋自重集度。詳見圖5、圖6。

      圖5 單支拱肋側(cè)視

      圖6 拱肋軸線立面

      2)彎矩M的計(jì)算

      由于拱圈在旋轉(zhuǎn)施工過程中突然停止時(shí),拱圈所受荷載為風(fēng)荷載、自重和慣性力荷載。在荷載作用下,拱腳根部會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的彎矩My和Mz

      式中:Fi為拱圈第i部分構(gòu)件所承受的風(fēng)荷載;li為拱圈第i部分的長(zhǎng)度;l為拱圈跨徑;ftx為拱圈轉(zhuǎn)體施工過程中拱圈慣性力集度;Fs為拉索拉力;h為拱肋拉索錨固點(diǎn)到拱腳處豎向距離。

      根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[10]規(guī)定可以知道,拱圈所受風(fēng)荷載可以采用下式計(jì)算。

      式中:k0為設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù);k1為風(fēng)載阻力系數(shù);k2為考慮地面粗糙度類別和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù);k3為地形地理?xiàng)l件系數(shù);k5為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù);g為重力加速度;Wd為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓;Awh為橫向迎風(fēng)面積;V10為橋梁所在地區(qū)的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速;Vd為高度Z處的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速,Z為距離地面或水面的高度;γ為空氣重力密度,γ=0.012 017e-0.0001Z。

      根據(jù)沖量定理,可以得到拱圈慣性力集度ftx。

      式中:mx為拱肋單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量;vx為拱肋轉(zhuǎn)動(dòng)線速度;φv為拱肋轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;Δt為拱肋突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)所用時(shí)間。

      將式(12)和式(13)代入式(11),可得

      將式(9)、式(12)和式(14)代入式(7),可得

      當(dāng)拱腳拱肋腹板屈曲時(shí),σ=σcr,可得拱肋腹板屈曲時(shí)風(fēng)速與拱肋轉(zhuǎn)速關(guān)系

      其中

      4 有限元模型及分析

      利用有限元軟件建立西溪河大橋半跨拱肋結(jié)構(gòu)三維模型。拱肋鋼管和拱肋腹桿用梁?jiǎn)卧M,拱肋上的鋼板采用板單元模擬,水平扣索用桁架單元模擬,拱肋拱腳處采用固定約束,扣索錨固端設(shè)置豎向約束、橫向約束和水平約束??偣膊捎? 200個(gè)梁?jiǎn)卧? 488個(gè)板單元和1個(gè)桁架單元。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖7所示。

      利用建立的有限元模型計(jì)算出公式(16)中各個(gè)系數(shù)的值。

      1)各荷載加載值計(jì)算

      ①風(fēng)荷載

      風(fēng)荷載按照風(fēng)速為1 m/s進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)西溪河大橋拱肋各構(gòu)件參數(shù)計(jì)算,可得各構(gòu)件所施加風(fēng)荷載,見表1。

      圖7 半跨拱圈模型

      表1 拱肋各構(gòu)件風(fēng)荷載

      ②慣性力

      慣性力荷載按照轉(zhuǎn)速1 rad/s進(jìn)行計(jì)算,由于各點(diǎn)的質(zhì)量集度和矩轉(zhuǎn)軸的距離不同,因此依據(jù)慣性力合力和作用點(diǎn)相同的原則,各點(diǎn)慣性力可以近似為

      ③扣索索力

      為了方便計(jì)算系數(shù)a3,扣索索力按1 000 kN施加。

      2)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

      通過分析可以知道拱肋拱腳處壓應(yīng)力最大,此時(shí)可以得出各系數(shù)為a1=0.001,a2=400.6,a3= -0.000 1,a4=8.1。將各系數(shù)代入式(16)可以得到

      由于0.000 1Fs較其他幾項(xiàng)小很多,因此上式可以寫為

      3)風(fēng)速與拱圈轉(zhuǎn)速的關(guān)系

      根據(jù)公式(19)可以做出當(dāng)Δt在0.1~1 s變化時(shí)的風(fēng)速與拱圈轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線,如圖8所示。

      對(duì)圖8進(jìn)行分析可以知道:

      ①當(dāng)拱肋突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)所用時(shí)間保持不變時(shí),隨著風(fēng)速的增加,拱圈轉(zhuǎn)速呈拋物線減小。

      ②當(dāng)風(fēng)速保持不變時(shí),隨著轉(zhuǎn)速的增加,拱肋突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)所用時(shí)間逐漸增大。

      ③當(dāng)轉(zhuǎn)速保持不變時(shí),隨著風(fēng)速的增加,拱肋突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)所用時(shí)間逐漸增大。

      ④拱圈轉(zhuǎn)體施工的保守轉(zhuǎn)速為0.01 rad/s。

      圖8 風(fēng)速與拱圈轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

      5 結(jié)論

      通過對(duì)西溪河特大跨度鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工過程進(jìn)行理論研究和有限元分析,得到以下結(jié)論:

      1)在西溪河特大跨度鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工過程中,以拱肋腹板屈曲為控制目標(biāo),通過理論分析給出了風(fēng)速與拱圈轉(zhuǎn)速關(guān)系函數(shù)表達(dá)式。

      2)給出了西溪河特大跨度鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工的保守轉(zhuǎn)速為0.01 rad/s。

      3)為了確保西溪河特大跨度鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工安全快速的完成,在施工過程中應(yīng)該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速,并且結(jié)合實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)拱圈轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

      [1]張聯(lián)燕,程懋方,譚邦明,等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京:人民交通出版社,2003.

      [2]范應(yīng)心.160 m鋼管混凝土拱的轉(zhuǎn)體施工[J].橋梁建設(shè),1996(3):4-6,11.

      [3]田仲初,劉雪鋒,顏東煌,等.優(yōu)化計(jì)算在拱橋液壓同步提升轉(zhuǎn)體施工控制中的應(yīng)用[J].中國公路學(xué)報(bào),2008,21 (2):74-78.

      [4]孫全勝,傅科奇.綏芬河斜拉橋轉(zhuǎn)體施工溫度影響分析[J].公路交通科技,2006,23(10):55-59.

      [5]車曉軍,周慶華,關(guān)林坤.轉(zhuǎn)體施工橋梁大噸位球鉸徑向應(yīng)力計(jì)算方法優(yōu)化研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2014,38(2):356-358.

      [6]晏敬東,陳強(qiáng).150MN高墩轉(zhuǎn)體T構(gòu)施工控制技術(shù)[J].橋梁建設(shè),2012,42(1):102-107.

      [7]詹豪,邵旭東,蔣志剛.多跨彈性支承連續(xù)矩形薄板屈曲分析[J].工程力學(xué),2014,31(11):25-30,38.

      [8]李亮,李國強(qiáng).鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)體系屈曲模態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)及臨界荷載簡(jiǎn)化算法[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,31(4):67-73.

      [9]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京:中國鐵道出版社,2010.

      [10]中華人民共和國交通部.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

      (責(zé)任審編孟慶伶)

      U445.465;TU311.2

      A

      10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.04

      1003-1995(2015)12-0015-04

      2015-08-18;

      2015-11-06

      韋有波(1981—),男,工程師。

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