利用既有老橋吊裝梁拱組合結(jié)構(gòu)新橋的受力分析

（安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230601）

近些年，我國(guó)交通建設(shè)飛速發(fā)展，交通客運(yùn)流量逐漸增大，部分老式橋梁已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足我國(guó)日益增長(zhǎng)的客運(yùn)流量需求[1]。為了更好地服務(wù)于現(xiàn)代交通，可采用吊裝結(jié)構(gòu)自重輕、施工工期短、跨徑靈活、造型優(yōu)美、受力合理的梁拱組合橋，對(duì)老式橋梁進(jìn)行優(yōu)化或替換[2-3]。隨著我國(guó)橋梁建設(shè)不斷發(fā)展，梁拱組合橋的施工難度不斷加大，其施工存在很多工況，如跨越河流、鐵路、高速公路等，在橋梁施工中占據(jù)重要的位置[4]。梁拱組合橋按照結(jié)構(gòu)的支撐形式可分為簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋、單懸臂梁拱組合體系橋、連續(xù)梁拱組合體系橋等。梁拱組合橋施工過(guò)程中需要考慮合理的成橋狀態(tài)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行周密計(jì)算，其建設(shè)已逐漸成為我國(guó)公路建設(shè)的主要形式，提高了國(guó)家公路建設(shè)的效率，對(duì)公路建設(shè)產(chǎn)生了積極意義[5]。相較于直接跨河流、鐵路等吊裝梁拱組合橋施工，在既有老橋上開(kāi)展梁拱組合橋吊裝施工難度較大，需考慮下部老橋受力情況。本文以引江濟(jì)淮工程巢湖路橋施工為背景，對(duì)梁拱組合橋吊裝施工方案進(jìn)行研究，對(duì)梁拱組合橋在永久和可變荷載作用以及荷載組合下的受力情況等進(jìn)行了分析。

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程巢湖路橋橫跨派河，上游約為840 m，下游約為470 m。橋位處有一座5 m×20 m預(yù)制空心板橋，橋面寬為33.0 m。

橋下通航凈寬和凈高均不滿(mǎn)足通航要求，需應(yīng)在老橋主梁搭設(shè)臨時(shí)支架并進(jìn)行新橋梁拱組合橋吊裝施工，包括鋼箱梁、鋼拱肋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)吊桿、預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)系桿等。梁拱組合橋橋型為下承式連續(xù)梁系桿拱橋，跨徑為（50+135+50）m，主橋長(zhǎng)235.0 m，寬38.5 m。

巢湖路新、老橋位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 巢湖路新、老橋位置關(guān)系（單位：mm）

2 梁拱組合橋安裝施工

2.1 鋼箱梁安裝施工

鋼箱梁吊裝前，將構(gòu)件進(jìn)行分段，梁縱向分成9段，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)為12 m，跨中段為7.4 m，鋼混段為10.3 m，箱梁斷面寬為38.5 m，沿寬度方向分成11個(gè)小箱體。

吊裝時(shí)，先搭設(shè)一側(cè)鋼混段支架，吊裝鋼混段鋼梁，再進(jìn)行混凝土施工和預(yù)應(yīng)力張拉，之后從一端向另一端搭設(shè)標(biāo)準(zhǔn)段支架，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)段鋼箱梁的吊裝。往后依次進(jìn)行支架搭設(shè)及鋼箱梁的吊裝，直至另一端鋼箱梁吊裝完畢。進(jìn)行鋼箱梁吊裝時(shí)，橫向斷面安裝順序由中間向兩側(cè)安裝，鋼箱梁全部安裝完畢后，開(kāi)始進(jìn)行系桿張拉施工。

2.2 拱肋安裝施工

拱肋吊裝前，先進(jìn)行臨時(shí)支架的安裝，臨時(shí)支架從兩端向中間進(jìn)行安裝。安裝完畢后利用汽車(chē)吊先進(jìn)行拱肋根部節(jié)段吊裝，兩側(cè)成對(duì)稱(chēng)吊裝，主、幅拱同時(shí)吊裝，再進(jìn)行斜撐與橫撐的安裝。

3 BIM技術(shù)概述與Revit建模

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，建設(shè)難度越來(lái)越大，BIM技術(shù)的加入解決了橋梁施工中的困難[6]。

相對(duì)于傳統(tǒng)施工管理方法，BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D模型與現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的高度匹配，充分提升了管理效果。BIM技術(shù)可模擬橋梁碰撞設(shè)計(jì)、場(chǎng)地布置、施工進(jìn)度，可以進(jìn)行精確快速的計(jì)算，得到工程量，BIM技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛運(yùn)用在橋梁建設(shè)中[7]。

目前，Revit軟件已被社會(huì)各界廣泛使用，Revit建立梁拱組合體系時(shí)，主要依靠梁拱組合體系體量化建模、對(duì)整體結(jié)構(gòu)參數(shù)化模擬。體量化建模時(shí)可使用體量工具對(duì)梁拱組合體系、體系中各部件進(jìn)行初步定形，使模型的建立更具系統(tǒng)性。參數(shù)化建模可通過(guò)對(duì)梁拱組合體系進(jìn)行變化參數(shù)等操作，以實(shí)現(xiàn)3D模型的參數(shù)化模擬。體量化與參數(shù)化的結(jié)合，使Revit建模更具說(shuō)服力。

Revit建立梁拱組合橋前，應(yīng)測(cè)量施工場(chǎng)地、橋墩位置與周?chē)ㄖ锏年P(guān)系，可通過(guò)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)梁拱組合橋模型進(jìn)行初步建立。

為了提高3D建模效率，應(yīng)對(duì)3D模型進(jìn)行底圖處理，將底圖從畫(huà)圖軟件CAD中導(dǎo)入Revit項(xiàng)目中，再對(duì)組合體系各部件、橋面附屬構(gòu)件進(jìn)行建模。

通過(guò)BIM可視化編程實(shí)現(xiàn)BIM參數(shù)化，提高建模質(zhì)量。執(zhí)行BIM標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)從實(shí)例到Revit軟件建模的良好轉(zhuǎn)換，確保模型的精細(xì)化[8]。

拱部件的BIM模型如圖2所示，梁部件的BIM模型如圖3所示。

圖2 拱部件BIM模型

圖3 梁部件BIM模型

梁拱組合橋整體模型渲染如圖4所示。

圖4 梁拱組合橋BIM模型渲染圖

4 MIDAS/Civil有限元計(jì)算分析

在老橋上部進(jìn)行梁拱組合橋安裝施工，需要考慮眾多工況對(duì)老橋的影響。為了研究梁拱組合橋施工過(guò)程中的受力情況，將梁拱組合橋BIM模型導(dǎo)入MIDAS/Civil，并進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

梁拱組合橋有限元模型如圖5所示。

圖5 梁拱組合橋有限元模型

4.1 老橋驗(yàn)算

在鋼箱梁安裝過(guò)程中，老橋墩頂支架單根鋼管樁最大反力為41 t，跨中支架的單根鋼管樁最大反力為14 t。汽車(chē)吊上新橋橋面安裝拱肋時(shí)，老橋墩頂處支架單根鋼管樁最大反力為70 t。

在該荷載作用下，老橋截面彎矩小于截面抗彎允許值，安全性滿(mǎn)足要求。

鋼箱梁安裝到拱肋安裝過(guò)程中，施工臨支架支反力結(jié)果如表1所示。

表1 臨時(shí)支架支反力結(jié)果 單位：t

4.2 新橋主梁驗(yàn)算

橋梁在建造過(guò)程中受到永久荷載與可變荷載共同作用，對(duì)梁拱組合橋結(jié)構(gòu)恒載、基礎(chǔ)沉降、可變荷載中的汽車(chē)荷載、溫度影響進(jìn)行有限元計(jì)算。

結(jié)構(gòu)自重取值γ1=26 kN/m3，二期荷載包括橋面鋪裝、防水和排水設(shè)施等，總計(jì)γ2=5 kN。

基礎(chǔ)沉降按每個(gè)基礎(chǔ)沉降的最不利荷載組合進(jìn)行計(jì)算，基礎(chǔ)分別考慮最大沉降量為0.01 m。

考慮巢湖路梁拱組合橋只有一個(gè)固定支座，均勻溫度變化對(duì)橋內(nèi)力不構(gòu)成影響，故僅考慮梯度溫度的影響；車(chē)道荷載為城市A級(jí)，結(jié)構(gòu)基頻f=0.567 Hz，沖擊系數(shù)μ=0.5。

溫度梯度取值如表2所示。

表2 溫度梯度取值

永久荷載作用下，恒載彎矩如圖6所示，基礎(chǔ)沉降彎矩如圖7所示。

圖6 恒載彎矩圖

圖7 基礎(chǔ)沉降彎矩圖

可變荷載作用下，溫度梯度彎矩如圖8所示，移動(dòng)荷載彎矩如圖9所示。

圖8 溫度梯度彎矩圖

圖9 移動(dòng)荷載彎矩圖

對(duì)梁拱組合橋進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算。承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合表達(dá)式為：

恒載產(chǎn)生最大彎矩為2.6×104kN·m，基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生最大彎矩為4.1×104kN·m，溫度梯度變化產(chǎn)生最大彎矩為7.7×104kN·m，移動(dòng)荷載產(chǎn)生最大彎矩為6.8×103kN·m。

承載能力極限狀態(tài)下，梁拱組合橋產(chǎn)生的最大彎矩值為9.4×104kN·m，均小于16.7×104kN·m；產(chǎn)生的最大剪力值為6.4×103kN＜Vdu=3.0×104kN，結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果彎矩如圖10所示，剪力如圖11所示。

圖10 彎矩圖

圖11 剪力圖

4.3 新橋拱圈驗(yàn)算

梁拱組合橋建造過(guò)程中，體系中拱圈的受力情況對(duì)梁拱組合橋具有較大影響，因此，對(duì)體系中拱圈內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算得γN＜Nud，Nud=14 141.36 kN，拱圈抗壓承載力滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

為研究在既有老橋上開(kāi)展梁拱組合橋吊裝施工技術(shù)和新、老橋受力情況，以引江濟(jì)淮工程巢湖路橋施工為工程背景，對(duì)梁拱組合橋安裝施工方案進(jìn)行了總結(jié)。通過(guò)Revit建立梁拱組合橋BIM精細(xì)化模型，將BIM模型導(dǎo)入有限元軟件MIDAS/Civil中，對(duì)老橋墩頂、跨中鋼管支架最大反力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)新橋主梁在永久、可變荷載作用及荷載組下產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

（1）新橋安裝過(guò)程中，老橋跨中支架的單根鋼管支架最大反力為14 t。

汽車(chē)吊上新橋橋面安裝拱肋時(shí)，老橋墩頂處單根鋼管支架最大反力為70 t。

在該荷載作用下，老橋截面彎矩小于截面抗彎允許值，安全性滿(mǎn)足要求。

（2）承載能力極限狀態(tài)下梁拱組合橋主梁所受最大彎矩值為9.4×104kN·m＜Mdu，Mdu=16.7×104kN·m；

最大剪力值為6.4×103kN＜Vdu，Vdu=3.0×104kN，結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

（3）梁拱組合橋拱圈截面最大軸力組合為14 141.36 kN，抗壓承載力滿(mǎn)足要求。