V型剛構連續梁組合拱橋拱肋混凝土灌注順序仿真分析研究

樊燕燕 ，李子奇

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅蘭州 730070)

0 引言

鋼管混凝土拱橋具有強度高、自重輕、跨越能力強、工期短以及造型美觀等優點，因此在橋梁建設中得到廣泛應用。V型剛構連續梁橋與同等跨度的常規連續梁相比，具有計算跨徑小、有效降低梁體截面高度、減輕主梁自重荷載、大幅度減小橋墩處梁體的負彎矩和跨中正彎矩等優點，并且V型剛構橋的V型支撐可使橋梁具有優美的外觀。因此，V型剛構連續梁橋成為城市橋梁和景觀橋梁建設較受歡迎的橋型之一。

V型剛構連續梁組合拱橋是一種新型橋梁結構形式，它融合了鋼管混凝土拱橋和V型剛構橋在造型、受力等方面的優點。V型剛構連續梁組合拱橋在造型上具有流線形線條、活潑和富有動感的特點,而且景觀效果良好,在結構上同時具有梁橋和拱橋的特點。這種梁拱組合結構形式，有效地提高了橋梁的跨越能力，已成為目前比較流行的一種橋型[1]。

V型剛構連續梁組合拱橋的拱結構采用鋼管混凝土系桿拱，其上部結構由吊桿、預應力混凝土連續梁和鋼管混凝土主拱肋三部分組成。結構所承受的恒載和活載一部分由V型剛構連續梁預應力混凝土主梁承擔，一部分通過主梁上的吊桿傳遞給主拱肋。主拱肋的水平推力又可以由預應力混凝土主梁內預應力來平衡，形成自平衡體系[2]。

V型剛構連續梁組合拱橋的拱結構施工順序為[3，4]：（1）在支架體系上施工 V 型剛構支撐和預應力混凝土連續梁，并埋設鋼管拱拱腳；（2）在預應力混凝土連續梁施工完成后在梁上搭設拱肋臺架，并拼裝焊接鋼管拱肋；（3）對拱肋混凝土進行頂升灌注；（4）安裝、張拉吊桿；（5）拆除支架，成橋。

拱肋混凝土進行頂升灌注施工，其施工工序有兩種設計思路：（1）當拱肋拼裝焊接完成后，先灌注混凝土，當鋼管內的混凝土達到一定強度后，再拆除拱肋臺架；（2）當拱肋拼裝焊接完成后，先拆除拱肋臺架，再灌注混凝土。這兩種設計思路各有優缺點。本文以60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構拱肋混凝土頂升灌注為例，通過上述兩種頂升灌注施工順序進行仿真模擬分析，主要目的是研究兩種拱肋混凝土頂升灌注對V型剛構連續梁組合拱橋主拱肋應力和變形的影響。

1 工程概況

年楚河特大橋主橋上部結構采用60m+148m+60 m V形剛構加拱組合結構[5]。拱肋采用1.8次拋物線，計算跨度為134 m，矢高為39.3 m，矢跨比為1/3.4，拱肋橫向間距為7.6 m，拱肋截面為變高度啞鈴型。兩榀拱肋間共設置7道橫撐，其中拱頂處一道橫撐為l字形，其余6道橫撐為K字形，橫撐均為空鋼管組成的桁架結構。

2 計算模型

采用MIDAS Civil橋梁兩種拱肋混凝土頂升灌注順序進行模擬計算[6，7]。工況1：先灌注混凝土，當鋼管內的混凝土達到一定強度后，再拆除拱肋臺架；工況2：先拆除拱肋臺架，再灌注混凝土。工況1混凝土頂升灌注在拱肋臺架上完成，拆除拱肋臺架時，拱肋的鋼管和鋼管內混凝土協同受力，共同提供拱肋結構抗彎剛度和受壓面積，采用鋼混聯合截面方式進行模擬。工況2混凝土頂升灌注過程中拱肋沒有臺架支撐，混凝土灌注過程中，混凝土沒有強度，也無法提供抗彎剛度和抗壓截面，拱肋鋼管隨著混凝土灌注不斷變形，此時拱肋結構的剛度全部由鋼管來承擔，采用在拱肋上施加混凝土均布荷載的形式模擬。因此，不同的混凝土頂升灌注順序會對拱肋的受力和變形產生不同的影響。主梁、拱離散為梁單元，吊桿離散為只受拉桿單元，主梁的支架采用只受壓的桿單元模擬；V構和主梁采用剛性連接。年楚河特大橋主橋拱肋混凝土頂升灌注有限元模型如圖1、圖2所示。

圖2 工況2有限元模型

3 仿真計算結果分析

3.1 拱肋變形

楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構橋不同的拱肋混凝土頂升灌注順序對鋼拱肋變形的影響如圖3、圖4和表1所示。

圖3 工況1拱肋變形曲線

圖4 工況2拱肋變形曲線

表1 工況1和工況2拱肋豎向變形值

3.2 拱肋應力

楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構橋不同的拱肋混凝土頂升灌注順序對鋼拱肋應力的影響如圖5、圖6和表2所示。

圖5 工況1拱肋應力曲線

圖6 工況2拱肋應力曲線

表2 工況1和工況2拱肋應力值

由表1和表2以及圖4～圖6可知，工況1和工況2拱肋變形和應力的影響對比如圖7和圖8所示。

圖7 工況1和工況2拱肋豎向變形對比圖

圖8 工況1和工況2拱肋豎向變形對比圖

4 結論

由上述的數值模擬計算分析結果可知，拱肋混凝土頂升灌注施工過程，工況1施工順序拱肋最大豎向變形為4.4 mm,拱肋最大應力為-18.2 MPa；工況2施工順序拱肋最大豎向變形為12.4 mm,拱肋最大應力為-65.7 MPa。工況1施工順序拱肋的豎向變形和拱肋應力都小于工況2施工順序。所以，綜合考慮上述拱肋豎向變形和拱肋應力來看，工況1在拱肋臺架上頂升灌注混凝土后再拆除拱肋臺架的施工順序更有利于鋼拱肋受力和變形的控制。

[1]劉兆豐.V型剛構組合拱橋的梁格分析[J].科學技術與工程,2012,12(31)：8465-8468.

[2]尹明.鋼管混凝土系桿拱橋吊桿施工張拉力計算 [J].公路工程,2010,35(2)：101-103.

[3]楊小森,閆維明，等.大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注順序優化[J].公路交通科技,2010,27(1)：67-83.

[4]張麗萍.大跨度系桿拱橋拱肋混凝土灌注方法[J].中國市政工程,2006(5)：40-42.

[5]肖艷斌.V型剛構連續梁組合拱橋施工過程結構受力分析[J].城市道橋與防洪,2013(10)：69-71.

[6]尹浩輝,吳濱生.丫髻沙大橋主拱拱肋鋼管混凝土的灌注與線形控制[J].橋梁建設,2000(4)：49-51.

[7]李松,強士中,唐英.混凝土灌注階段鋼管混凝土拱肋的時變行為研究[J].鐵道標準設計,2007(1)：58-61.