鋼管混凝土提籃拱橋施工階段有限元分析

王劍

(中鐵十四局集團(tuán) 第四工程有限公司，濟(jì)南250002)

尼爾森體系鋼管混凝土提籃拱橋是柔性系桿拱橋，施工時(shí)靠系桿的張拉力來平衡荷載的作用，因此施工順序?qū)皹虻淖罱K拱肋線形和結(jié)構(gòu)受力均有較大影響。同時(shí)，在已建客運(yùn)專線鐵路橋中，可借鑒的鋼管混凝土提籃拱橋的施工經(jīng)驗(yàn)較少［1－2］，故對(duì)該類拱橋施工的各個(gè)階段進(jìn)行有限元計(jì)算分析并指導(dǎo)施工具有重要意義。

楊興旺［3］等對(duì)擬建的112 m新建鐵路九曲河特大橋提籃式系桿拱主橋進(jìn)行了有限元分析［3］，研究了5種施工方案在施工全過程中的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和構(gòu)件承載力，但未對(duì)施工過程中拱肋鋼管和混凝土中的應(yīng)力及整體變形進(jìn)行分析，后者將更有助于指導(dǎo)橋梁施工過程。本文以廣深港鐵路線廣深段沙灣特大橋鋼管混凝土提籃拱橋?yàn)槔謩e采用橋梁博士軟件和midas軟件進(jìn)行平面和空間有限元分析，并將分析結(jié)果用于該橋的施工控制。

1 施工階段劃分

1.1 工程概況

圖1 提籃拱主橋布置及提籃拱上部結(jié)構(gòu)橫斷面示意

廣深港鐵路線廣深段沙灣特大橋鋼管混凝土提籃拱橋全長(zhǎng) 116 m，計(jì)算跨度為 112 m，橋下凈空為32.9 m。 提籃拱橋采用單箱三室截面預(yù)應(yīng)力混凝土系梁。系梁底板在3.0 m范圍內(nèi)上抬0.5 m以減小風(fēng)阻力。橋面箱梁頂寬17.8 m，梁高2.5 m。系梁吊點(diǎn)處設(shè)橫梁，橫梁為實(shí)體截面。系梁箱體底板厚為28 cm，頂板厚為 30 cm，邊腹板厚為 35 cm，中腹板厚為30 cm。

提籃拱橋按尼爾森體系布置吊桿，矢跨比為1∶5，拱肋平面內(nèi)矢高為22.4 m。拱肋采用懸鏈線線型，拱肋橫截面采用啞鈴形混凝土鋼管截面，截面高度為3.0 m，沿程等高布置，鋼管直徑1 200 mm，厚18 mm。每側(cè)拱肋的兩鋼管之間用厚16 mm的腹板連接。拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，形成提籃式，拱頂處兩拱肋中心間距9.19 m，拱腳處兩拱肋中心間距16.20 m。全橋共設(shè)5處鋼結(jié)構(gòu)橫撐，分別為一字撐和K形撐。

主橋立面布置及橫斷面見圖1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提籃拱橋采用先梁后拱的施工方法。

1.2 施工階段

該鋼管混凝土提籃拱橋上部結(jié)構(gòu)可劃分為15個(gè)施工階段:首先澆筑系梁混凝土，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，張拉第一批預(yù)應(yīng)力，拼裝拱肋鋼管，并澆筑鋼管內(nèi)混凝土;之后依次進(jìn)行吊桿張拉，吊桿張拉的過程按照12個(gè)工況進(jìn)行，吊桿編號(hào)見圖2，依次對(duì)稱完成各吊桿張拉施工;各吊桿安裝完畢，初次張拉全部完成后，張拉系梁剩余預(yù)應(yīng)力索，拆除系梁支架;最后二期恒載施工完成，吊桿張拉力達(dá)到最大。

圖2 吊桿編號(hào)布置

2 有限元計(jì)算模型

2.1 計(jì)算參數(shù)

荷載取值如下:主橋自重按實(shí)際尺寸及材料的密度進(jìn)行計(jì)算;二期恒載，包括曲線雙線、無聲屏障、CRTSⅠ型板式無砟軌道，按照148.9 kN/m取值;制動(dòng)力或牽引力按照豎向靜活載的10%取值;設(shè)計(jì)活載為ZK活載。

溫度取值如下:合龍溫度取(17±3)℃;均勻升溫、降溫取25℃和－25℃;非均勻升溫、降溫分別為拱肋 ±10℃，吊桿 ±15℃及系梁 +10℃、－8℃。

該鋼管混凝土提籃拱橋上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件材料特性值如表1所示。

表1 提籃拱橋上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件材料特性值

2.2 有限元模型

利用橋梁博士計(jì)算軟件建立平面有限元模型，見圖3所示，共計(jì)248個(gè)平面梁?jiǎn)卧?24個(gè)節(jié)點(diǎn);忽略全橋橫撐和橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響和橋梁橫向幾何形狀對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，將其作為荷載，以集中力作用到模型相應(yīng)位置。

圖3 提籃拱橋平面有限元模型

利用MIDAS/Civil有限元計(jì)算軟件，建立該提籃拱橋的空間有限元模型，如圖4所示，采用空間桁架單元模型，共計(jì)506個(gè)空間梁?jiǎn)卧?8個(gè)空間桁架單元，267個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 提籃拱橋空間有限元模型

在簡(jiǎn)化力學(xué)模型時(shí)，為保證邊梁豎向抗彎剛度提供約束扭轉(zhuǎn)剛度與實(shí)際結(jié)構(gòu)的等效性，橫隔板采用工字型截面，即將箱梁頂板、底板的一部分作為工字型截面的翼緣板考慮，同時(shí)所增加的自重通過調(diào)整材料容重將其抵消。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 拱肋鋼管和拱肋混凝土應(yīng)力

通過計(jì)算得到各施工階段提籃拱橋拱肋鋼管和拱肋混凝土應(yīng)力，如圖5和圖6所示。

圖5 提籃拱橋拱肋鋼管最大壓應(yīng)力

圖6 提籃拱橋拱肋混凝土最大壓應(yīng)力

根據(jù)圖5和圖6可以看出:

1)拱肋鋼管和拱肋混凝土均處于受壓狀態(tài)，總體上壓應(yīng)力隨著施工階段的進(jìn)行逐漸變大，到最終施工階段時(shí)達(dá)到最大值。

2)拱肋鋼管壓應(yīng)力最大為81.5 MPa，滿足鋼管構(gòu)件的強(qiáng)度要求;拱肋混凝土最大值為9.8 MPa遠(yuǎn)小于C55混凝土的強(qiáng)度要求。

3)在第7和13施工階段壓應(yīng)力出現(xiàn)下降波動(dòng)，此兩階段分別為3#和1#吊桿施工。由圖2可見，3#和1#吊桿均位于提籃拱橋端部，其張拉施工將緩解拱肋內(nèi)部應(yīng)力。

4)最后兩個(gè)施工階段為張拉系梁剩余預(yù)應(yīng)力索，拆除系梁支架以及二期恒載施工完成，在該施工階段中拱肋中壓應(yīng)力增長(zhǎng)較大，增長(zhǎng)量約占總應(yīng)力的20%，因此應(yīng)對(duì)該階段施工給以特別關(guān)注，確保施工安全。

3.2 拱肋鋼管豎向位移

通過有限元計(jì)算得到各施工階段拱肋鋼管變形，選取第1、13、14、15施工階段變形計(jì)算結(jié)果，見圖7。

圖7 拱肋位移

由圖7可見，隨著施工階段的進(jìn)行，拱肋鋼管豎向位移有先增大后減小的態(tài)勢(shì)，至施工階段13，即完成所有吊桿張拉施工時(shí)，拱肋鋼管跨中豎向位移達(dá)到最大值，平面有限元計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果為4.0 cm，空間有限元計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果為3.0 cm;之后豎向位移逐漸減小，至二期荷載上橋施工完成時(shí)，跨中位移減至最小值，平面有限元計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果為3.2 cm，空間有限元計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果為2.1 cm。因此，在進(jìn)行上部拱肋施工時(shí)，須考慮施工產(chǎn)生的豎向位移，按照設(shè)計(jì)要求和計(jì)算分析結(jié)果做好空間預(yù)留。

3.3 模型對(duì)比分析

從兩種有限元模型的計(jì)算結(jié)果可以看出，空間模型計(jì)算結(jié)果均小于平面模型，這是由于空間模型充分考慮了橋梁橫向剛度和幾何形狀等因素的影響，模型與橋梁實(shí)際情況更加符合，因此在進(jìn)行施工控制時(shí)將主要參考空間模型的計(jì)算結(jié)果，平面模型的計(jì)算結(jié)果可作為對(duì)比參考。

4 結(jié)語

本文對(duì)廣深港鐵路線廣深段沙灣水道特大橋鋼管混凝土提籃拱橋分別建立平面模型和空間模型，對(duì)該橋的不同施工階段結(jié)構(gòu)受力和整體變形進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果基本一致，由于空間模型把綜合影響考慮較多，使分析結(jié)果更為趨于合理。

通過計(jì)算分析，對(duì)關(guān)鍵工況的關(guān)鍵問題提前做出預(yù)警，同時(shí)對(duì)工程施工起到很好的指導(dǎo)作用，保證了施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，可為同類工程的設(shè)計(jì)計(jì)算和施工控制提供參考和借鑒。

［1］馮廣勝.尼爾森體系提籃拱橋施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005，25(10):42 －45.

［2］薛照鈞.下承尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋在鐵路客運(yùn)專線上的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2006，32(5):40－43.

［3］楊興旺，趙雷，李喬.提籃式系桿拱橋施工全過程承載力分析［J］.橋梁建設(shè)，2004，30(3):120 －122.

［4］聶輝，尚艷亮，宋強(qiáng).倉(cāng)安路斜拉橋牽索掛籃橫梁應(yīng)力的室內(nèi)試驗(yàn)［J］.鐵道建筑，2006(8):22－23.