大跨度鋼管混凝土拱橋支架法施工仿真分析

摘 要：根據(jù)設(shè)計(jì)文件和施工布置，某跨度為220 m的下承式鋼管混凝土拱橋的鋼管拱肋原位拼裝架設(shè)方法為支架法，由于支架法對施工條件要求較高，目前支架法架設(shè)大跨度拱橋橋肋的原位拼裝工程實(shí)例較為少見。為了保證拱肋施工支架的安全性和穩(wěn)定性，本文基于有限元軟件MIDAS-Civil建立三維有限元模型，對其最不利受力狀態(tài)下的空間穩(wěn)定性和靜力進(jìn)行了分析，分別計(jì)算了支架在橫橋向風(fēng)荷載和自重作用下的位移、應(yīng)力和彈性穩(wěn)定系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，支架的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，橫橋向風(fēng)荷載對支架的穩(wěn)定性影響較小，拱肋和支架的自重為支架橫向穩(wěn)定性的控制荷載。

關(guān)鍵詞：拱橋;橋梁施工;有限元分析;拱橋橋肋

中圖分類號：TU745? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：湖北省交通運(yùn)輸廳資助項(xiàng)目（2017-395-02）

近些年，鋼管混凝土拱橋憑借其高強(qiáng)度、輕自重、造型美觀和施工簡便等優(yōu)點(diǎn)[1]被廣泛應(yīng)用。當(dāng)鋼管混凝土拱橋跨度大于100 m，無支架法又可分為纜索吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法和懸臂法[2]。纜索吊裝法是拱橋無支架施工的一種，也是拱橋靠自身架設(shè)施工的主要方法之一。轉(zhuǎn)體施工法是將拱圈或整個(gè)上部結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)半拱，在河道的兩側(cè)分別采用地形或簡單支架構(gòu)造或預(yù)制半拱，采用動(dòng)力裝置將兩個(gè)半拱轉(zhuǎn)向拱橋的軸線位置上的施工方法[3-4]。而支架法是采用鋼和其它構(gòu)件形成拱形框架，然后澆筑拱架上部的主拱圈，或者是根據(jù)設(shè)計(jì)方案對拱架的上半部分進(jìn)行建造，最后落架并完成其他部分的施工方法。該方法具有操作性強(qiáng)、施工簡便和易控制拱軸線型等優(yōu)點(diǎn)[5]，但支架法常用于拱肋距離地面較近、跨徑較小和施工條件較好的情況[6]。當(dāng)跨徑較大的鋼管混凝土拱橋采用支架法施工時(shí)，由于拱橋的矢高及跨徑較大[7]，支架容易變形影響拱肋軸線[8]，此外對支架的安全性和穩(wěn)定性也是較大的挑戰(zhàn)。本文依托某鋼管混凝土拱橋作為工程實(shí)例，基于有限元軟件MIDAS-Civil對架設(shè)過程中支架的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了施工支架的安全性。

1 工程概況

某跨度為60 m+220 m+60 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋采用下承式鋼管混凝土加勁。主、邊跨不平衡的長度為30 m，在國內(nèi)較為少見[9]。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場施工布置，本拱橋選用的施工方法為先梁后拱。主梁采用的是三向混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，為變截面、變高度和單箱單室箱梁。箱梁的頂板寬度為13.0 m，箱底寬度為9.7 m?？缰辛旱母叨葹?.6 m，邊支點(diǎn)處的梁高為5.2 m，中墩處梁高為11.2 m。邊跨端部和中跨中部為等高梁段，分別為7.5 m和15.6 m。拱橋的加勁鋼管為鋼管平行拱肋，矢高和跨度分別為40 m和220 m，矢跨比為0.182，施工拱軸線為二次拋物線，設(shè)計(jì)軸線方程為Y=-X/245+0.82X。

2 有限元建模

橋梁施工支架主要為格構(gòu)式鋼管立柱，尺寸為2.5 m×2.5 m和3 m×2 m，共4根Q235B型鋼管，鋼管的壁厚和直徑分別為5 mm和425 mm。全橋共計(jì)40個(gè)格構(gòu)式鋼管立柱，立柱的橫向間距為7.5 m，縱向間距為5.8～7.9 m，橋面中心和跨中呈對稱布置。經(jīng)分析可知，支架的最不利受力狀態(tài)為支架拼裝完成但尚未合龍時(shí)?；谟邢拊浖﨧IDAS-Civil建立仿真模型，為了簡化有限元模型以及減少計(jì)算時(shí)間，利用模型和載荷的對稱性[10-14]，建立一半的支架和拱肋模型，設(shè)計(jì)的模型主要是以梁單元為主，模型共有4 632個(gè)單元，3 012個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖1所示。

本文在進(jìn)行有限元仿真計(jì)算時(shí)，考慮了如下兩種工況：工況1僅考慮支架自重和拱肋自重;工況2考慮支架自重和拱肋自重+橫橋向風(fēng)荷載。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

通過對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分析，可知利用支架法進(jìn)行大跨徑拱橋的拱肋原位進(jìn)行施工時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注支架的自身的穩(wěn)定性及其對拱軸線的影響。本文利用有限元軟件MIDAS-Civil對支架進(jìn)行靜力分析和空間穩(wěn)定性分析，以此評價(jià)施工的安全性。

3.1 靜力分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得工況1靜力分析結(jié)果表1和圖2。由圖表可知，支架應(yīng)力最大壓應(yīng)力值為24.44 MPa，小于190 MPa（容許應(yīng)力值），其位置為第1組格構(gòu)柱頂部分配梁處。豎向位移最大值為2.12 mm，向下變位，出現(xiàn)的位置為第9、10組格構(gòu)柱頂部的縱向平聯(lián)處。橫向位移最大值的方向?yàn)橄驑蛲鈨蓚?cè)變位，最大值為0.53 mm，出現(xiàn)在跨中支架頂部。貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 第38卷第6期 汪德旺：大跨度鋼管混凝土拱橋支架法施工仿真分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得工況2靜力分析結(jié)果表1和圖3。由圖表可知，支架最大壓應(yīng)力為111.77 MPa，遠(yuǎn)小于190 MPa（容許應(yīng)力值），出現(xiàn)在第1組格構(gòu)柱底部鋼管橫向平聯(lián)處。豎向位移最大值的方向?yàn)橄蛳伦兾?，最大值?.33 mm，出現(xiàn)的位置為第9、10組格構(gòu)柱頂部的縱向平聯(lián)處。橫向位移最大值為28.95 mm，方向?yàn)橄虮筹L(fēng)側(cè)變位，出現(xiàn)位置為跨中支架頂部。

3.2 屈曲分析

屈曲分析，即空間穩(wěn)定分析，針對支架進(jìn)行空點(diǎn)穩(wěn)定性分析[15-17]，第1階模態(tài)工況1和工況2中第9組格構(gòu)柱發(fā)生面外失穩(wěn)破壞的彈性穩(wěn)定系數(shù)為34.23，即臨界荷載是支架自重和拱肋自重總和的34.23倍。不同工況在對應(yīng)的不同階段彈性穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

由表2可知，工況1和工況2對應(yīng)的第1—5階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)均遠(yuǎn)大于4（規(guī)范要求的設(shè)計(jì)限值）。因此可證明，該方案中的施工支架穩(wěn)定性滿足規(guī)范和安全要求。此外，橫橋向風(fēng)荷載對支架的穩(wěn)定性影響較小，拱肋和支架的自重為支架橫向穩(wěn)定性的控制荷載。

4 結(jié)論

采用支架法對跨度較大的鋼管混凝土拱橋進(jìn)行的原位拼裝架設(shè)時(shí)，施工支架的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性對施工的安全性尤為關(guān)鍵。為了驗(yàn)證該施工方法的可行性，本文基于有限元軟件MIDAS-Civil建立三維有限元模型，對施工支架的靜力和穩(wěn)定性進(jìn)行了有限元分析，具體結(jié)論為：

1）自重工況下（工況1），支架的應(yīng)力最大值為24.44 MPa、最大豎向和橫向位移值分別為2.12 mm和0.53 mm，穩(wěn)定系數(shù)為34.23?？紤]橫橋向風(fēng)荷載工況下（工況2），支架的應(yīng)力最大值為111.77 MPa、最大豎向和橫向位移值分別為2.33 mm和28.95 mm，穩(wěn)定系數(shù)為34.23。因此可知，拱橋施工支架在剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，可保證現(xiàn)場施工的安全性。

2）橫橋向風(fēng)荷載對施工支架的橫向穩(wěn)定性影響較小，而對其應(yīng)力和位移影響較大，因此在施工過程中應(yīng)采用臨時(shí)防風(fēng)措施以及加強(qiáng)格構(gòu)柱鋼管間的連接，從而提高拱肋在關(guān)鍵施工階段中的抗風(fēng)性能，減小橫向位移，從而保證拱肋在施工過程中的拱軸線型及施工安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]項(xiàng)貽強(qiáng)， 郟亞坤. 基于小波總能量相對變化的拱橋吊桿損傷識別[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2017， 51（5）： 870-878.

[2] 潘棟， 鄧年春， 涂兵， 等. 基于智能主動(dòng)調(diào)載技術(shù)的超大跨CFST拱橋灌注順序分析[J]. 公路， 2020， 65（9）： 130-137.

[3] 張忠， 丁敬榮， 劉魯濤， 等. 鋼管混凝土拱橋拱肋內(nèi)灌混凝土比選研究[J]. 公路工程， 2020， 45（4）： 158-161.

[4] 夏祥斗. 梅溪河特大橋鋼拱肋吊裝施工扣索索力計(jì)算[J]. 施工技術(shù)， 2020， 49（9）： 85-88.

[5] 周倩， 周建庭， 馬虎， 等. 鋼管拱肋分段吊裝扣索一次張拉索力改進(jìn)算法[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2020， 20（1）： 92-101.

[6] 周倩， 周建庭， 張嘉誠， 等. 大跨鋼管混凝土拱橋混凝土自調(diào)載灌注方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 52（3）： 82-89.

[7] 任泓錦， 許紅勝， 顏東煌， 等. 勁性骨架混凝土拱橋改進(jìn)施工工藝可行性研究[J]. 中外公路， 2019， 39（6）： 81-84.

[8] 黃永忠. 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)受力及參數(shù)設(shè)計(jì)分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版）， 2019， 43（6）： 1085-1088.

[9] 賈巧燕， 穆新盈， 朱立軍. 靜風(fēng)荷載作用下大跨度鋼管混凝土拱橋位移的數(shù)值模擬[J]. 公路工程， 2019， 44（5）： 226-232.

[10]樊開盼， 張?jiān)? 初始缺陷對大跨徑鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的影響分析[J]. 中國公路， 2019（15）： 91-93.

[11]孫建淵， 謝津?qū)? 基于等效齡期的鋼管拱內(nèi)混凝土硬化過程熱應(yīng)力[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019， 47（6）： 755-763.

[12]張亞杰， 李世銘， 胡曉東， 等. 下承式鋼管混凝土拱橋拱肋施工支架安全性研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2019， 17（3）： 204-207.

[13]卓衛(wèi)東， 顏全哲， 吳梅容， 等. 中承式鋼管混凝土拱橋地震易損性分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 2019， 41（5）： 126-132.

[14]黃黔桂， 張衛(wèi)國. 基于影響矩陣法異形鋼管混凝土拱橋吊桿張拉施工控制[J]. 市政技術(shù)， 2019， 37（3）： 85-88.

[15]張振偉， 張偉. 飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋靜動(dòng)力特性分析[J]. 中外公路， 2019， 39（1）： 113-116.

[16]李晰， 何瀾， 李倩， 等. 脈沖型地震動(dòng)對CFST拱橋抗震性能的影響分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 54（4）： 731-740.

[17]黃育凡， 吳慶雄， 陳康明. 鋼管混凝土拱梁組合橋整體架設(shè)施工受力性能分析[J]. 橋梁建設(shè)， 2018， 48（1）： 25-30.

（責(zé)任編輯：于慧梅）

作者簡介：汪德旺（1976—），高級工程師，碩士，研究方向：路橋建筑，建筑施工，E-mail：tingtcc056@sina.com.

通訊作者：汪德旺，E-mail：tingtcc056@sina.com.

Simulation Analysis on Construction of Long-span Concrete-filled

Steel Tube Arch Bridge with Bracket Method

WANG Dewang

（Honghu Highway Administration of Hubei Province， Jingzhou 433200， China）

Abstract： According to the design documents and construction layout， the insitu erection and erection method of steel tube arch ribs of a 220 mspan concrete-filled steel tube arch bridge is the bracket method. Because the bracket method requires stricter construction conditions， At present， there are few examples of insitu erection of long span arch bridge ribs by bracket method. In order to ensure the safety and stability of the arch rib construction support， this paper establishes a three-dimensional finite element model based on the finite element software MIDAS-Civil， analyzes its spatial stability and static force under the most unfavorable stress state， and calculates the displacement， stress and elastic stability coefficient of the support under the transverse bridge wind load and dead weight respectively. The calculation results show that the stiffness， strength and stability of the support meet the design and specification requirements， the lateral wind load has little effect on the stability of the support， and the self-weight of the arch rib and the support is the control load for the lateral stability of the support.

Key words： arch bridge; bridge construction; finite element analysis; arch bridge rib