新型三角剛構施工方法關鍵工序計算分析

周亭林，韋　偉，楊雨厚

(1.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西壯族自治區(qū)羅城公路管理局，廣西　河池　546400)

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新型三角剛構施工方法關鍵工序計算分析

周亭林1，韋偉2，楊雨厚1

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007；2.廣西壯族自治區(qū)羅城公路管理局，廣西河池546400)

周亭林(1978—)，工程師，主要從事橋梁工程檢測與研究工作；

韋偉(1986—)，主要從事公路養(yǎng)護、施工及建設管理工作；

楊雨厚(1983—)，工程師，博士研究生，主要從事橋梁工程研究工作。

摘要：文章以羅文大橋三角剛構為研究對象，基于結構有限元仿真計算分析，結合靜力平衡法，對三角剛架斜腿由懸臂轉化為剛構體系的關鍵施工工序進行了深入討論，并對工程實測數據進行了分析。研究結果表明：三角剛構主梁分段澆筑，預應力分段張拉的施工工藝可行，施工階段結構安全的關鍵是對拉桿預加力的合理確定。

關鍵詞：靜力平衡；三角剛架結構；有限元模型；應力；施工方法；關鍵工序

0引言

隨著我國公路交通事業(yè)和城市建設迅速發(fā)展，相繼修建了多座造型優(yōu)美、結構合理、經濟耐用的新穎結構型式橋梁。近年來，以大跨徑組合體系橋梁設計、施工技術漸趨多樣化發(fā)展，但目前尚未發(fā)現與“三角剛架-系桿拱梁組合橋”相類似的系統(tǒng)研究，因此開展研究該類型橋梁顯得尤為重要。本文以廣西南寧市羅文大橋為工程背景，重點研究三角剛架結構技術問題，對關鍵施工工序狀況綜合闡述，探索出更科學的計算分析優(yōu)化模式，合理的基本理論分析為施工提供技術指導，使結構各階段狀態(tài)得到有效控制，確保成橋目標滿足設計要求。

1背景工程

1.1　橋梁概述

南寧市羅文大橋跨越邕江，所處路線等級為城市主干路Ⅰ級。主橋長460 m，橋面全寬41.5 m，主橋為50 m+2×180 m+50 m海鷗式拱橋，主拱拱肋理論跨徑180 m，全拱計算矢高50 m，折算矢跨比為1/3.462，主拱拱軸線采用二次拋物線。拱肋分別位于各自的豎直平面內，橋面上拱肋間無任何橫向聯系。拱肋的水平推力通過配置系桿平衡，從孔跨上屬無推力雙跨系桿拱橋，主體由三角剛架區(qū)段與主拱段兩部分組成，三角剛架段采用混凝土結構，主拱段為鋼結構，從受力上屬于混凝土三角剛架與鋼系桿拱組合橋梁。全橋共三個三角剛架段。主要技術標準：(1)設計荷載：公路-Ⅰ級；(2)橋面雙向縱坡1.5%，橫坡2.0%；橋梁立面圖如圖1所示。

1.2　三角剛構主體構造

三角剛架斜腿(拱肋)為主拱圈與副拱的延續(xù)，采用等寬變高的單箱單室截面。在橋面主梁以下拱肋寬度為4 m，在橋面以上至鋼混結合段寬度為2.6 m，主梁段的拱肋完成4~2.6 m的寬度漸變。拱肋高度由頂端4.06 m漸變至拱腳5.5 m，拱箱高度按照二次拋物線變化。拱箱箱室在橋面以下壁厚1 m；在橋面以上壁厚為0.8 m。拱肋上下底板各設置4根25股鋼絞線。

三角剛架段主梁采用雙縱梁結構，縱梁中心間距為29.5 m，與拱肋中心間距一致。雙縱梁為實心矩形截面，梁寬3.9 m、中心高3.205 m。主縱梁之間布設4道小縱梁與橫梁一起支撐行車道板。主梁平均每隔3 m設置一道橫梁。剛架段主梁與主跨鋼主梁處設置下盤牛腿。主梁縱向預應力布設于主縱梁、小縱梁及橋道板內，橫向預應力則分布于主縱梁間及頂板。

圖1　羅文大橋主橋立面圖(單位：cm)

2新型三角剛架施工工序

2.1　新穎結構體系

羅文大橋三角剛架-系桿拱體系為全新組合橋型，其結構受力及設計特點與其它橋梁有所不同：三角剛架段采用預應力鋼筋混凝土結構。邊跨設置了副拱，副拱與主拱及三角剛架形成的桁架體系有效改善了拱腳區(qū)段的受力，同時也使得該種體系受力更加復雜。三角剛架直接作為邊跨，與主跨系桿共同為平行子結構作用。主梁不連續(xù)，即主梁在腳趾向跨中方向處斷開，設置了牛腿并安裝了伸縮裝置，從荷載傳遞途徑分析，因主梁的不連續(xù)V形剛構無法形成，并且拱與梁之間無法進行荷載分配。主梁采用底板開口的正交異形鋼橋面板縱橫梁格結構型式，最大限度地按結構的實際受力需要來設計各構件尺寸。

2.2　工藝技術

三角剛構斜腿按對稱、平衡同步原則分節(jié)段進行作業(yè)，為防止斜腿根部截面施工階段產生偏大局部應力或變形，斜腿間設置了足夠強度和剛度的對拉桿進行扣拉固定與安裝勁性骨架結合少支架臨時支撐作為輔助施工系統(tǒng)。對拉桿自上至下分5層水平布置，上層采用d=15.2、標準強度1 860 MPa的鋼絞線預應力鋼束，其余4層對拉桿均為d=40 mm、標準強度785 MPa的精軋螺紋鋼筋，背杠、鋼帶等施工臨時設施則采用標準屈服強度為235 MPa的鋼材。主梁按兩節(jié)段施工，懸臂段縱向推進分層順序澆筑，梁段間預應力筋采取連接器接長張拉。為抵抗主梁懸澆過程中產生的不平衡彎矩，對拉桿采取分階段逐級施加有效預應力作為三角剛構關鍵施工工序，每階段對斜腿根部應力進行監(jiān)測，在適宜溫度時使斜腿與主梁形成閉合三角剛構。

3關鍵工序計算分析

3.1　靜力平衡法

三角剛構為靜定結構，主梁澆筑階段斜腿受力模型為懸臂梁狀態(tài)，可以力矩平衡原理獲得計算解析。設斜腿為直桿，計算各節(jié)段重心，主梁混凝土濕重按空間縱橫向支架立柱傳遞，通過節(jié)點力的平衡法逐段推解，求出南側、北側斜腿產生的不平衡力矩，對兩側拱肋進行平均分配以達到理想彎矩。按總體分析計算，工作狀態(tài)組合荷載作用的彎矩值見表1，由于江北側斜腿立柱3力臂很小，不考慮計入。斜腿力學模型如圖2所示。

表1　三角剛構總體分析計算表

圖2　三角剛構斜腿簡化力學模型圖

為符合工程實際情況，使兩側拱肋在目標彎矩下達到平衡，實現斜腿根部不出現或處于允許范圍內的拉應力，應充分考慮勁性骨架的剛度作用，并對對拉桿預先施加預應力。通過經驗與澆筑懸臂梁前狀態(tài)進行估算勁性骨架的剛度貢獻，認為可承擔斜腿混凝土重量的1/3，即分擔彎矩21 708 kN/m。此外，應包括斜腿內預應力鋼束的可平衡彎矩、三組對拉桿預加力彎矩貢獻等因素，計算結果見表2~3。

表2　斜腿內預應力可平衡彎矩估算表

注：設計圖紙斜腿預應力鋼筋為8束。

表3　對拉桿預加力對彎矩貢獻表

注：對拉桿組別自下至上編號，第1組力臂小，可忽略。

由以上關系確定三角剛架斜腿上層鋼絞線需施加預應力，已知斜腿分擔后彎距(150 469.64-21 708-42 966-32 400)kN/m=53 395.64 kN/m、力臂14.5 m，求得需施加力3 682.46 kN。

3.2　有限元分析模型

靜力平衡法為簡化力學基本理論，雖具概念清晰、計算簡單且嚴密等優(yōu)點，但難以實現三角剛構施工階段中復雜問題，應引入有限元計算分析法進一步校核與驗證?；舅悸窞椋簩⑺蟮檬┘佑阡摻g線的預加力代入到有限元模型中，對斜腿根部應力綜合分析，得出結論。根據三角剛架施工特點，采用橋梁專業(yè)軟件midas/Civil 2010建立有限元模型整體分析計算，計算模型共離散為1 112個單元，包括桁架單元、梁單元、板單元等。其中斜腿拱肋、主梁及橫梁均采用空間梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，臨時設施中背杠采用空間梁單元，對拉桿采用桁架單元模擬。承臺底采用橋梁博士3.0計算樁基礎剛度矩陣，以一般彈性支撐施加于承臺底節(jié)點，用來考慮下部邊界條件。結構離散圖如圖3所示。主要材料參數由剛架段混凝土及預應力鋼材兩種材質特性值確定。荷載參數中取活載車道均布荷載10.5 kN/m、車道集中荷載取360 kN，二期恒載3.83 kN/mm2，混凝土收縮徐變作用考慮成橋后3 650 d的混凝土收縮徐變。

圖3　結構離散圖

按三角剛架段施工順序、荷載條件及邊界條件的變化，劃分為19個施工階段。每階段混凝土濕重采用體積乘以重度的方法計算，施工荷載按13.77 kN/m列入。主要施工階段邊界條件為：(1)背杠間、拱座與背杠、拉桿與斜腿節(jié)段采用彈性連接中的剛接；(2)拱座與拉桿、斜腿節(jié)段與拱座采用剛性連接；(3)背杠短拉桿節(jié)點彈性支撐模擬；(4)背杠與斜腿間支撐用僅受壓構件模擬；(5)激活支架體系與結構連接、副拱與主梁連接、主梁與交界墩支撐。荷載主要作以下處理：(1)將斜腿或主梁混凝土濕重與施工荷載按梁單元均布荷載施加；(2)考慮構件節(jié)段預應力荷載；(3)對拉桿預加力及施加強制位移等。另外在模型結構計算時采用取消橫坡的截面，在輸入預應力鋼筋信息時，考慮到截面頂面橫坡，預應力鋼筋底板束導線點的邊距只輸入到截面下緣的相對高程值。

通過以上施工階段有限元模型計算分析，在斜腿施加預加力為3 682.46 kN(鋼絞線)+300 kN(對拉桿)組合條件下，得出斜腿根部的應力計算結果，歸納如下：江南與江北兩側斜腿在所有施工階段中基本處于受壓狀態(tài)，其中在澆筑江北段主梁混凝土階段，江南側斜腿產生最大拉應力0.68 MPa，位于拱背位置；江北側斜腿出現的最大拉應力則發(fā)生在施加強制位移時，最大拉應力為1.14 MPa，在拱背處。斜腿設計采用C50混凝土，相應抗拉強度為1.89 MPa，經與斜腿根部最大拉應力受力狀態(tài)比較，構件不會出現裂縫現象。

4計算結果與實測數據對比分析

以靜力平衡法與有限元分析計算法兩者相結合優(yōu)化指導三角剛構施工，圍繞各個施工階段情況，針對斜腿根部過程中應力監(jiān)測數據，跟蹤分析實測與理論數值的變化關系，及時修正不良影響因素，減少施工過程中產生的誤差。限于篇幅，僅列舉表4下游斜腿鋼絞線及對拉桿施加力、主梁節(jié)段澆筑三個階段監(jiān)測對比值，截面應力對比圖如圖4~5所示。

圖4　下游斜腿截面上緣應力對比圖

工況位置實測應力(MPa)理論應力(MPa)應力差(MPa)鋼絞線張拉+2#、3#、4#組對拉桿張拉江南左上-1.242-1.180-0.062右上-0.852-1.1800.328左下0.9100.8000.110右下0.6860.800-0.114江北左上-1.246-1.140-0.106右上-0.985-1.1400.155左下0.9730.8500.123右下0.7310.850-0.119主梁江南段澆筑完成江南左上0.8350.7400.095右上0.6900.740-0.050左下-1.677-1.8400.163右下-2.233-1.840-0.393江北左上-2.083-1.710-0.373右上-2.129-1.710-0.419左下0.8350.980-0.145右下1.1020.9800.122主梁江北段澆筑完成江南左上-0.397-0.310-0.087右上-0.374-0.310-0.064左下0.1840.1700.014右下0.1490.170-0.021江北左上1.7252.010-0.285右上1.6872.010-0.323左下-2.972-2.410-0.562右下-2.788-2.410-0.378

注：應力數據構件受壓為“-”，受拉為“+”。

圖5　下游斜腿截面下緣應力對比圖

由表4及圖4~5可知，構件實測應力變化趨勢基本與理論曲線相符，未出現較大差異，基本受力均勻。斜腿截面上緣與下緣應力兩曲線形成反彎曲線，即當上緣出現受拉時，下緣應出現受壓狀態(tài)，反之亦成立。構件實測受拉變化值基本略大于理論值，最大變化量達28%，而受壓變化值中大于理論值的數量占總數的41.7%。說明斜腿鋼絞線與對拉桿輔助張拉系統(tǒng)預加力略有不足，其應力總體處于稍低狀態(tài)，但既有的小差

異不會對結構安全形成影響。斜腿根部最大拉應力為1.725 MPa，出現在澆筑主梁江北段階段，小于C50混凝土的抗拉強度1.89 MPa，經外觀檢查，構件未發(fā)現裂縫等病害。實測與理論計算結果在實橋中得到了良好驗證。

5結語

本文以三角剛構為研究對象，運用靜力平衡法基本原理求解，根據設計與施工特點建立有限元計算模型分析，對施工控制方法提出可靠和實用性要求，通過每個環(huán)節(jié)優(yōu)化，使得施工過程中結構體系內力合理分布，與總體計算分析思路相符，實現了安全的成橋狀態(tài)，對施工、設計同類工程提供借鑒具有很好的指導意義。為取得更高計算精度期望，應對最不利、最有利與中值幾種影響因素組合形式綜合考慮驗證。

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Calculation and Analysis of Key Processes for New Triangular Rigid Frame Construction Method

ZHOU Ting-lin1，WEI Wei2，YANG Yu-hou1

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Luocheng Highway Administration Bureau，Hechi，Guangxi，546400)

Abstract：With Luowen Bridge triangular rigid frame as the study object，based on structure finite element simulation calculation and analysis，and combined with static equilibrium method，this article discussed the key construction process of triangle frame inclined-leg transformed from the cantilever into rigid frame system，and analyzed the actual engineering measurement data.The research results showed that：the construc-tion process of triangle rigid frame main beam being poured by segments together with segment tensioning of prestress is feasible，and the key for structural safety at construction phase is the reasonable determina-tion of pulling-rod pre-applied force.

Keywords：Static balance； Triangular frame structure； Finite element model； Stress； Construction method； Key processes

收稿日期：2015-04-05

文章編號：1673-4874(2015)05-0041-04

中圖分類號：U445.4

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.012

作者簡介