新建鐵路四線鋼箱系桿拱橋施工支架仿真分析

蔣宗全，高金亮，唐繼舜，陳雙權，朱浩波，李廷鈺

(1.中國水電建設集團，北京 100048;2.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;3.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

新建鐵路四線鋼箱系桿拱橋施工支架仿真分析

蔣宗全1，高金亮2，唐繼舜2，陳雙權3，朱浩波1，李廷鈺3

(1.中國水電建設集團，北京 100048;2.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;3.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

新建鐵路跨濟兗公路特大橋，選用兩跨96 m下承式四線鋼箱系桿拱橋，采用支架原位拼裝施工。為保證施工支架的穩定性并控制支架變形，在施工過程中進行了實時施工支架仿真分析。本文采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了有限元仿真模型，模擬橋梁施工過程中支架的受力和變形狀況，分析了各工況下支架的變形和穩定性。通過實際觀測數據的比較分析，驗證了施工支架的可行性和合理性。

鋼箱系桿拱橋 滿布支架 仿真分析

大跨度橋梁的結構體系復雜，施工過程中體系轉換次數多，使得傳統的分析方法無法準確地描述結構施工過程中的狀態。采用橋梁結構仿真分析則能真實地模擬橋梁施工各工況下的幾何模型，邊界條件，以及由溫度變化，支座沉降等產生的荷載，為橋梁施工控制提供準確的數據。本文采用仿真分析方法研究鋼箱系桿拱橋支架法原位拼裝施工過程。

1 橋梁結構形式及支架布置

跨濟兗公路特大橋中的鋼箱系桿拱橋是北京至上海新建鐵路中的一座重要橋梁。四線96 m的下承式簡支鋼箱系桿拱橋在國內是首次采用(一次建成四線橋)，中間雙線為高速正線，兩邊為聯絡線。上部結構分為鋼箱拱、鋼箱梁、拱肋橫撐、吊桿索及錨點構造、兩端支座、兩端橫向限位裝置及現澆混凝土橋面板。主拱肋理論拱軸線采用二次拋物線，實際拱軸線以折代曲，兩折線交點為吊索中心線與理論拱軸線交點，折線間采用圓弧過渡。主拱跨徑96 m，矢高19.2 m，矢跨比1∶5。兩主拱間中心距11.68 m，兩拱肋通過5道鋼箱橫撐連接，吊桿索水平投影間距為5 m。拱肋采用箱形截面，箱寬1.2 m，高度由跨中處2.8 m變化至拱腳處5.5 m。鋼箱梁長98 m，采用梁高3 m等截面單箱9室截面，頂寬25.7 m，底寬22.5 m，橋面采用正交異性板構造。該橋位于濟南市西南，跨越濟兗公路和高速公路的匝道及輔道。由于橋下凈空較小，所以本橋采用支架原位拼裝施工方案。鋼箱梁在支架原位拼裝架設，鋼拱肋在鋼箱梁上拼裝架設。

鋼箱系桿拱采用滿布鋼管支架原位拼裝施工。在公路路面及臨時地基上搭設支架，吊裝鋼箱梁，之后在鋼箱梁上搭設拱肋支架。鋼箱梁臨時支柱采用φ559 mm×10 mm鋼管，橫橋向分為左右兩組，每組4根，每組鋼管橫橋向采用20a槽鋼交叉連接，鋼管支架支撐于經過處理的地基上。下部鋼箱梁安裝完成后，在鋼箱梁上搭設拱肋吊裝支架。每半跨單片拱肋下設5個臨時支柱，臨時支柱采用φ630 mm×10 mm螺旋鋼管，每個臨時支柱鋼管縱橫向采用20a槽鋼連接。臨時支柱底部設置墊座，頂端安裝可調拖撐，該可調拖撐既可精確調整高程，亦可作為卸落設備。支架布置保證兩個原則：①滿足結構要求，滿足拱橋的施工線形要求，且在施工時變形不能超過規范要求;②滿足施工安全要求，必須對施工穩定性進行驗算。鋼箱梁支架斷面圖如圖1所示。

圖1 鋼箱梁支架斷面(單位：cm)

2 橋梁三維有限元模型

考慮到橋面鋼箱梁寬跨比較大，地基未進行預壓，基礎不均勻沉降大，橋梁空間結構行為較為突出。為了能夠全面、準確地掌握支架結構的內力和變形狀況，采用ANSYS對全橋施工過程進行空間結構仿真分析。全橋各構件均按實際工程中的截面形式模擬，考慮縱向板肋、U肋、橫隔板、腹板及腹板加勁肋，橋面鋼箱梁和拱肋箱梁結構采用三維板單元shell63模擬，用實常數輸入法輸入各實際截面的板厚。支架采用管單元pipe16模擬，基礎和地基采用實體單元 solid45模擬。施工支架與橋面系和拱肋的連接通過耦合相同位置的節點來模擬，支架與基礎、鋼箱梁和拱肋的連接均采用鉸接進行模擬。全橋仿真模型共劃分為145 702個單元和131 630個節點，全橋及支架仿真模型如圖2所示，有限元模型拱腳段構造如圖3所示。

圖2 全橋及支架仿真模型

圖3 有限元模型拱腳段構造

3 仿真計算與分析

跨濟兗公路特大橋中的鋼箱系桿拱橋采用支架原位拼裝法施工，橋面鋼箱梁的拼裝分為17個階段，拱肋的拼裝分為6個階段。橋梁施工過程中比較重要的控制參數是地基及支架的變形、穩定系數和失穩狀態。在施工過程中，支架各支柱的應力和位移隨施工進程不斷發生變化，因此仿真分析需要得到各個施工階段下支架的應力、位移，看是否滿足強度及穩定性要求。考慮支架與地基的不同連接方式，建立兩種模型：一種是鋼箱梁與支架一起建模，支架底部鉸接，另一種是鋼箱梁、支架與地基共同建模。通過比較分析得出三者共同建模較為合理，并得到可能的最不利狀態，在最不利狀態下利用強度理論對支架進行強度、剛度及穩定性驗算。

圖4給出了鋼箱梁支架支柱、斜撐的最大應力隨施工工況的變化情況。地基的彈性變形使鋼箱梁支架各支柱發生內力重分布，支架各支柱的受力更加合理。在橋面的拼裝過程中，支架應力曲線變化不大。鋼箱梁支架的最大應力從第四工況后變大，這是由于支架從第四排開始支柱由8根變為了6根，導致支架變形增大。第四工況以后，支柱最大壓應力變化不大，在22 MPa左右變化，斜撐的最大應力在30 MPa左右。在拱肋的架設過程中，由于拱肋支架支撐于鋼箱梁上，拱肋的重量通過拱肋支架傳遞給鋼箱梁的腹板，所以支柱壓應力有明顯的增大，最大值通常發生在鋼箱梁腹板對應的支柱上。且該支柱與橫梁的連接處承受較大的軸力和彎矩的聯合作用，因此支柱應力較大，支架支柱實為壓彎構件。鋼箱梁支架支柱和斜撐的最大壓應力發生在拱肋合龍前一階段，最大值44.6 MPa，小于容許抗壓強度140×1.3=182 MPa(1.3為臨時結構提高系數)，滿足規范要求。由仿真分析結果可知，由于仿真分析模型中鋼支架的每一根桿件是作為空間桿單元來處理的，因而可以方便地求得每一根桿件的內力，及內力最大桿件的具體位置。

圖4 鋼箱梁支架最大應力隨著施工工況的變化

圖5給出了鋼箱梁支架支柱最大位移隨著施工工況的變化情況。在鋼箱梁架設過程中，鋼箱梁支架支柱的位移變化不大，徘徊在3.5～4.0 mm之間，在第四工況稍微有所下降。支架支柱在考慮地基沉降后的最大豎向位移在拱肋合龍前達到最大，最大值為6.1 mm。在實際工程中，地基的沉降速度與土的各種指標有關，地基的沉降量隨著時間不斷增大，沉降速度隨著時間不斷變小。模型中模擬的鋼箱梁支架支柱的最大位移應該是經過一段時間以后，地基的彈性變形量。實際工程中最大位移量不可能減小，所以第四工況位移的變小可以不采用。在拱肋的架設過程中，鋼箱梁支架的位移變化比較大。這里的計算結果是采用土的彈性模量計算的，沒有考慮土及支架連接處的非彈性變形，因此必須對文中計算結果根據實際測量的數值做修正才是實際的變形量。

圖5 鋼箱梁支架支柱最大位移隨著施工工況的變化

在相同的模型與荷載條件下，鋼箱梁支架與鋼箱梁的邊界條件由固接變為鉸接將降低支架整體穩定安全系數，后者約為前者的90%，且后者結構變形大于前者。按照第二類穩定分析，在穩定分析中通過桿件軸力來考慮幾何非線性對結構變形的影響，由于桿件應力較低，幾何非線性對結構整體穩定性的影響并不大。圖6給出了鋼箱梁支架一階失穩模態下的穩定系數隨著施工工況的變化情況，全橋施工階段的穩定性系數在拱肋合龍前最小，為9.26＞4。由各工況下的一階屈曲模態可知，支架最先失穩的部位是支架的斜撐，支架支柱的穩定性高于連接系的穩定性，說明鋼箱梁支架設計合理。同時由計算可知：全橋架設過程中的穩定性是有保證的。

圖6 鋼箱梁支架穩定系數隨著施工工況的變化

4 結語

本文用ANSYS對96 m下承式鋼箱系桿拱橋的施工支架作了詳細的分析，得出三維有限元模型能夠較好地模擬橋梁的整個施工過程。通過各個施工階段的模擬，得出支架中各桿件受力合理，能夠保證施工過程的安全。

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U445.34

B

1003-1995(2011)03-0028-03

2010-09-15;

2010-12-06

蔣宗全(1963— )，男，四川綿陽人，教授級高級工程師。

(責任審編 趙其文)