啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋施工過程受力研究

黃海珊 林本虎 梁高榮

【摘要：】文章以某高速公路啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋為工程依托，結(jié)合工期和經(jīng)濟(jì)性兩方面確定了合理的施工方案，并采用數(shù)值模擬的方法對拱橋吊裝施工過程的受力情況進(jìn)行分析，通過建立拱腳局部模型及施工過程關(guān)鍵階段、成橋階段的數(shù)值模型，研究了拱橋施工過程中最不利受力工況的受力及成橋后的受力狀態(tài)。結(jié)果表明：采用豎向轉(zhuǎn)體吊裝進(jìn)行拱橋施工，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，且拱腳受力合理，施工過程各關(guān)鍵階段應(yīng)力均低于設(shè)計規(guī)范，成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力良好。

【關(guān)鍵詞：】系桿拱橋;方案;有限元;受力分析

U441+.5A341124

0 引言

拱式結(jié)構(gòu)作為橋梁結(jié)構(gòu)的一種基本型式，具有跨越能力大、外形美觀、造價低等特點[1]。啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋作為拱橋的一種型式，拱肋水平推力依靠預(yù)應(yīng)力系桿來平衡，可大大減少拱肋對基礎(chǔ)的水平推力，具有極大的推廣價值。但系桿拱橋的施工過程復(fù)雜，需要的施工設(shè)備繁多，在拱肋合龍前，已安裝節(jié)段為懸臂結(jié)構(gòu)，可靠性低;另一方面，系桿未張拉時，由自重、施工荷載等產(chǎn)生的水平推力主要依靠拱腳基礎(chǔ)承受，因而要求拱腳基礎(chǔ)具有一定的承載能力。因此，研究拱腳局部、懸臂吊裝過程的受力情況及成橋受力狀態(tài)，進(jìn)而指導(dǎo)拱橋施工具有重要意義。

1 工程概況

某啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)采用下承式梁拱組合型式，主跨跨徑為134 m，計算矢高為33.5 m，拱軸系數(shù)為2.0，計算矢拱度為1：4。拱肋上下兩根鋼管由鋼板連接成等截面鋼-混組合結(jié)構(gòu)，拱肋截面高2.8 m，寬1.2 m，管內(nèi)灌注填充C50自密實混凝土。成橋后的拱肋水平推力主要依靠縱梁預(yù)應(yīng)力系桿承擔(dān)。吊桿通過鋼絞線整束擠壓而成拉索體系，兩端錨具安裝有可適應(yīng)變位和可調(diào)節(jié)長度的球形墊板和螺母，兩吊桿之間間隔8 m。橋道系為雙縱肋式，兩肋橫向距離為12.8 m。拱腳部位采用鋼-混組合型式，截面變高，寬度為1.9 m。在全橋范圍內(nèi)每對吊桿位置的縱肋之間安設(shè)橫隔板，橋面系兩側(cè)各設(shè)置一道140 cm厚的端橫梁，橋面板厚度為28 cm。

2 施工方案比選

根據(jù)設(shè)計要求，提供兩種施工方案如下：

方案一：采用依次對稱吊裝拱肋節(jié)段的方式，直至合龍段架設(shè)完成。各節(jié)段吊裝工藝次序為[2]：起吊→對中→臨時錨固→調(diào)節(jié)線形→定位焊接→調(diào)節(jié)線形→焊接合龍→無損檢測。拱肋節(jié)段安裝布置如圖1所示。

方案二：采用豎向轉(zhuǎn)體提升施工方法。在主跨中心處安設(shè)豎轉(zhuǎn)塔架，塔架用塔吊與吊車協(xié)作安裝完成。每一節(jié)段拼裝完成后安裝壓塔索和纜風(fēng)繩，然后張拉至設(shè)計要求，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu)[3];而后在塔頂安裝千斤頂、卷揚(yáng)機(jī)等轉(zhuǎn)體所需設(shè)備。鋼管拱分段吊裝根據(jù)設(shè)計文件采用兩側(cè)對稱依次提升拱肋節(jié)段的方式，直至拱肋合龍。豎向轉(zhuǎn)體施工方案設(shè)計見圖2。

結(jié)合本工程實際施工情況，對兩種施工方案的施工工期和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比選（見表1）。

由表1可知，方案二較方案一具有工期短、節(jié)約材料、經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)點，故進(jìn)行啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋吊裝施工時，優(yōu)先選擇豎向轉(zhuǎn)體的工藝方法。

啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋施工過程受力研究/黃海珊，林本虎，梁高榮

3 拱腳局部受力分析

拱腳作為拱橋受力的關(guān)鍵部位，承擔(dān)著自重、預(yù)應(yīng)力、活載等相關(guān)荷載，尤其在施工期間，拱橋的受力體系及受力狀態(tài)不斷改變，其應(yīng)力及變位亦隨之發(fā)生改變，受力復(fù)雜且量值較大。因此，選擇有代表性的受力工況，建立局部實體模型研究拱腳應(yīng)力分布，具有顯著的工程意義。

3.1 模型建立

采用大型結(jié)構(gòu)計算軟件Midas FEA建立拱腳精細(xì)化數(shù)值模型，如圖3所示，研究不同工況下拱腳的受力情況。建模時，忽略普通鋼筋的作用，啞鈴型主拱、管內(nèi)混凝土、混凝土系梁運用實體單元模擬，并自動劃分實體網(wǎng)格，共有23 360個節(jié)點、116 396個單元。本次分析忽略粘結(jié)滑移效應(yīng)。

3.2 受力分析

通過全橋整體模型分析，選取施工過程中的關(guān)鍵施工工況模擬細(xì)部受力狀況。選取以下四個最不利荷載工況：

（1）工況1：第1根和第15根吊桿張拉;

（2）工況2：跨中最后一根（第8根）吊桿張拉;

（3）工況3：吊桿張拉完畢拆除橋道梁滿堂支架;

（4）工況4：二期恒載鋪裝。

各工況荷載作用下拱腳局部最大位移和應(yīng)力有限元計算值如表2所示。

表2所列結(jié)果表明，各種最不利工況施工條件下，拱腳最大縱向位移為1.41 mm，最大豎向位移為0.74 mm;拱腳混凝土最大主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力分別為2.42 MPa和-35.64 MPa;拱肋混凝土最大主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力分別為1.75 MPa、-13.83 MPa，均出現(xiàn)在工況4。二期恒載鋪裝完成后，造成混凝土主拉應(yīng)力過大的原因是混凝土和鋼管拱肋結(jié)合部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。拱肋鋼管最大主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力分別為21.36 MPa和-77.84 MPa，低于鋼材的屈服強(qiáng)度，且具有豐富的應(yīng)力儲備。

4 施工階段拱肋受力分析

4.1 有限元模型的建立

全橋數(shù)值模型采用橋梁大型通用計算軟件Midas Civil建立，橋面主梁通過梁單元模擬，拱肋采用施工聯(lián)合截面分析，吊桿采用桁架單元模擬，建立空間數(shù)值模型，全橋共有337個節(jié)點、572個單元。有限元模型如下頁圖4所示。

4.2 拱肋吊裝過程受力分析

全橋拱肋共分為5個節(jié)段。拱肋吊裝采用豎向轉(zhuǎn)體提升施工，在主跨中心處安設(shè)豎轉(zhuǎn)塔架，通過梁頂部預(yù)埋

鋼板進(jìn)行固定，中間預(yù)留充足的空間用以運輸拱肋與橫撐。塔架用塔吊與吊車協(xié)作共同安裝，每一節(jié)段拼裝完成后安裝壓塔索和纜風(fēng)繩，然后張拉至設(shè)計要求，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu)，而后在塔頂安裝千斤頂、卷揚(yáng)機(jī)等轉(zhuǎn)體所需設(shè)備。

拱肋吊裝施工過程中，模擬其施工時主要節(jié)段的受力狀態(tài)，選擇有代表性的拱肋受力工況進(jìn)行研究：

工況1：吊裝節(jié)段1和節(jié)段5;

工況2：吊裝節(jié)段2和節(jié)段4;

工況3：拱肋合龍;

工況4：拱肋混凝土澆筑完成;

工況5：吊桿張拉完成;

工況6：二期鋪裝完成。

各工況作用下拱肋最大應(yīng)力見表3。限于篇幅，僅展示工況1、4、5、6下的應(yīng)力云圖，見圖5～8。

由表3及圖5～8可知，在吊裝合龍前拱肋應(yīng)力值均較小，在混凝土澆筑完成后拱肋拉應(yīng)力達(dá)到最大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管，其值為41.6 MPa，遠(yuǎn)低于鋼材屈服應(yīng)力，此時拱肋最大壓應(yīng)力值為50.6 MPa。在吊桿安裝完成后，拱肋由拉壓應(yīng)力交替變化轉(zhuǎn)為全截面受壓，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管，其值為95.6 MPa，亦低于拱肋的屈服強(qiáng)度。

4.3 成橋階段拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力分析

施工方法的選擇直接影響拱肋成橋后的應(yīng)力狀態(tài)，拱肋關(guān)鍵截面的應(yīng)力值能夠直觀反映當(dāng)前階段結(jié)構(gòu)的受力情況及材料的安全儲備。啞鈴型鋼管混凝土拱肋主要受力結(jié)構(gòu)包括三部分：上下弦管、管內(nèi)自密實混凝土（C50）、綴板內(nèi)自密實混凝土（C50）。成橋后各結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力位置點如圖9所示。各關(guān)鍵截面節(jié)點應(yīng)力分布如表4所示。

由表4可知，成橋階段拱肋鋼管最大應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管L/8截面位置，該位置最大壓應(yīng)力值為136.8 MPa，低于鋼材的屈服強(qiáng)度;下弦管最大應(yīng)力位于拱腳處，該位置最大壓應(yīng)力值為112.2 MPa，亦低于鋼材的屈服強(qiáng)度。上下弦管內(nèi)澆混凝土最大應(yīng)力位于拱腳截面位置，最大壓應(yīng)力值為6.9 MPa，小于混凝土設(shè)計抗壓強(qiáng)度;綴板混凝土最大應(yīng)力出現(xiàn)在L/8截面位置，該位置最大壓應(yīng)力值為3.7 MPa，均符合設(shè)計要求。由此可見，成橋后拱肋各部位均處于受壓狀態(tài)，且壓應(yīng)力值均較小，成橋受力狀態(tài)良好。

5 結(jié)語

（1）啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋采用豎轉(zhuǎn)法吊裝施工，可縮短工期、節(jié)省造價。

（2）二期恒載鋪裝完成后，拱腳部位混凝土局部拉應(yīng)力較大，原因是混凝土和鋼管拱肋結(jié)合部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;拱肋鋼管拉壓應(yīng)力均小于設(shè)計規(guī)定。

（3）拱肋吊裝施工過程中，在吊桿張拉前，拱肋處于拉壓應(yīng)力并存的受力狀態(tài)，最大拉應(yīng)力位于上弦管，其值為41.6 MPa;在完成吊桿張拉后，拱肋轉(zhuǎn)為全截面受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管，其值為95.6 MPa，均低于鋼材屈服強(qiáng)度。

（4）成橋后拱肋各部位均處于受壓狀態(tài)，且壓應(yīng)力值均較小，成橋受力狀態(tài)良好。

參考文獻(xiàn)：

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