非對(duì)稱鋼結(jié)構(gòu)拱橋施工結(jié)構(gòu)分析

李騰飛，吳 帥

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大。橋梁除了實(shí)現(xiàn)跨越溝壑的最基本功能外，作為城市建筑物的標(biāo)志，更是被賦予了藝術(shù)含義[1-2]。城市景觀橋的使用越來(lái)越多，拱橋作為最基本的橋型之一，在橋梁發(fā)展史上占有比較重要的地位，由于其結(jié)構(gòu)形式多樣、造型美觀，深受喜愛(ài)[3-4]。

1 工程概況

該橋上部結(jié)構(gòu)為箱型鋼橋，主橋全長(zhǎng)74.25 m，上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼箱拱梁組合體系橋，鋼箱梁頂板、底板均布置加勁肋，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用輕型橋臺(tái)。主梁橫斷面布置為2.5 m（人行道）+2.5 m(拉索區(qū))+7.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（拉索區(qū)）+2.5 m（人行道）。

全橋共設(shè)置11對(duì)斜吊桿。斜吊桿沿橋軸水平向吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)中心距為5 m，關(guān)于橋梁中心對(duì)稱布置，均采用單斜吊桿。為方便分析，延順橋向?qū)⒆髠?cè)斜吊桿編號(hào)為DG1左～DG11左，右側(cè)斜吊桿編號(hào)為DG1右～DG11右，橋梁總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁立面布置

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 建立全橋有限元模型

為保證橋梁成橋后符合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）要求[5]，利用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil對(duì)主橋施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，將鋼箱梁采用板單元模擬，加勁肋與鋼箱拱采用梁?jiǎn)卧M，斜吊桿采用桁架單元模擬，全橋設(shè)置5個(gè)模擬施工階段，見(jiàn)圖2。

圖2 全橋有限元計(jì)算模型

按照施工階段依次對(duì)橋梁模型進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)不同施工工況下鋼箱拱、鋼箱梁、斜吊桿的內(nèi)力以及位移的變化進(jìn)行比較分析，更好地了解各個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)具體部位的受力狀態(tài)和線形狀態(tài)。成橋階段施加移動(dòng)荷載工況下結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 結(jié)構(gòu)位移云圖/mm

圖4 鋼箱梁應(yīng)力云圖/MPa

圖5 鋼箱拱應(yīng)力云圖/MPa

由圖3～圖5結(jié)果可知，鋼箱梁、鋼箱拱應(yīng)力均滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025—86）要求，且拱肋橫向穩(wěn)定性滿足要求。

對(duì)于斜吊桿，在成橋恒載作用下的最大拉力為 1 240.91 kN，設(shè)計(jì)選擇的斜吊桿為PES7-61高強(qiáng)度平行鋼絲，破斷索力為3 920 kN，斜吊桿的安全系數(shù)均＞3.0，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 各階段施工控制分析

鋼箱拱在各工況下豎向位移隨X軸的變化見(jiàn)圖6，軸向應(yīng)力隨X軸的變化見(jiàn)圖7。

圖6 各工況下鋼箱拱位移/mm

圖7 不同工況下鋼箱拱軸應(yīng)力/MPa

由圖6可以看出，各工況下鋼箱拱的位移在跨中基本對(duì)稱，各工況下最大豎向位移發(fā)生在跨中附近，最大位移值為-19 mm。

由圖7可以看出，各工況下鋼箱拱的軸向應(yīng)力延順橋向先變小后增大，在順橋向坐標(biāo)最大處發(fā)生最大應(yīng)力-56 MPa。

鋼箱梁在不同施工階段中心線處的位移隨X軸變化見(jiàn)圖8。

圖8 各工況下鋼箱梁位移/mm

由圖8可知，由于斜吊桿初張力的作用，鋼箱拱中心線處的最大豎向位移為14.34 mm，發(fā)生在跨中附近；施加橋面鋪裝層后，鋼箱拱中心線處的最大豎向位移為-12.39 mm，發(fā)生在跨中附近；施加活載后，鋼箱拱的最大豎向位移為-24.47 mm，發(fā)生在在跨中附近。

不同工況下單側(cè)斜吊桿內(nèi)力大小見(jiàn)圖9，在成橋狀態(tài)下斜吊桿內(nèi)力與設(shè)計(jì)內(nèi)力見(jiàn)圖10。

圖9 各工況斜吊桿內(nèi)力/kN

圖10 不同狀態(tài)斜吊桿內(nèi)力/kN

由圖10可知，模擬計(jì)算成橋狀態(tài)和設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)下最大內(nèi)力的斜吊桿編號(hào)都是DG4，在有限元模擬計(jì)算下，成橋狀態(tài)時(shí)斜吊桿最大內(nèi)力為1 061.12 kN， 設(shè)計(jì)斜吊桿成橋內(nèi)力最大為1 267.0 kN，與設(shè)計(jì)值相差16%，計(jì)算結(jié)果誤差較小，為保證在橋梁正常工作時(shí)各斜吊桿都在安全范圍內(nèi)，因此，應(yīng)該合理調(diào)整DG4、DG11斜吊桿的初拉力。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在結(jié)構(gòu)有限元模型建立后要結(jié)合實(shí)際施工中出現(xiàn)的誤差對(duì)各參數(shù)進(jìn)行修正，避免在指導(dǎo)施工時(shí)出現(xiàn)較大誤差，影響施工的正常進(jìn)行。（2）在測(cè)試橋梁斜拉索內(nèi)力時(shí)要注意對(duì)斜拉索的邊界條件以及長(zhǎng)度進(jìn)行綜合考慮，對(duì)于短拉索采用頻率法計(jì)算得知的斜拉索內(nèi)力誤差較大，所以在計(jì)算后要對(duì)其加以修正。（3）針對(duì)Midas在不同施工階段計(jì)算的結(jié)構(gòu)具體內(nèi)力和位移進(jìn)行分析，并計(jì)算得到結(jié)構(gòu)施工各關(guān)鍵階段位移與應(yīng)力均能滿足要求，總體施工控制效果良好。