簡支系桿拱橋施工過程分析

陳　鎖

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

Procedure Analysis of the Simply Supported Bowstring Arch Bridge Construction

CHEN Suo

簡支系桿拱橋施工過程分析

陳鎖

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

Procedure Analysis of the Simply Supported Bowstring Arch Bridge Construction

CHEN Suo

摘要以沈丹客運專線跨度113.3 m簡支系桿拱橋為工程實例，采用MIDAS軟件對施工過程進行模擬，給出施工過程中有限元模型的建立方法，對該系桿拱橋施工過程中的應力、撓度及穩定性進行驗算。結果表明：系桿拱橋在施工過程中結構體系不斷變化，整體剛度不斷增強；由于鋼管混凝土拱肋為組合截面，混凝土收縮徐變對鋼管應力和橋梁整體的變形影響較大，應選擇合理的收縮徐變計算模式；澆筑管內混凝土時，支架反力最大，是控制支架結構設計的施工階段。

關鍵詞系桿拱橋施工過程MIDAS應力變形穩定性

以沈陽至丹東新建客運專線工程系桿拱橋為例，通過MIDAS軟件對其施工過程建立有限元模型，對鋼管混凝土簡支系桿拱橋施工過程的應力、變形和穩定性進行分析。

1工程概況

該工程為新建沈陽至丹東客運專線工程工點橋梁，上部結構為1-113.3 m鋼管混凝土簡支拱，拱橋平面為直線，縱斷面位于i=-4.3‰的縱坡上。梁全長116 m，計算跨度為113.3 m，拱肋面內矢跨比為f/L=1∶5，拱肋立面投影矢高22.38 m，拱肋采用二次拋物線，在橫橋向內傾8°，呈提籃式樣。

拱肋橫斷面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.0 m，鋼管直徑為1.2 m。拱肋之間設三道一字撐和四道K撐。

系桿采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，跨中結構高3.05 m，端部結構高3.05 m，斷面圖構造及尺寸見圖1。

圖1　梁部斷面(單位：mm)

系桿采用C50混凝土，拱肋中灌注C50補償收縮混凝土；系桿縱向預應力采用公稱直徑15.2 mm低松弛鋼絞線；拱肋鋼管、橫撐及吊桿的上下錨箱均采用Q345qE鋼材，吊索采用PES(FD)7-127成品索。混凝土、鋼材及鋼絞線等材料的設計抗壓(拉)強度、彈性模量等基本力學性能及參數均按相關規范取值。

設計行車速度目標值為250 km/h，Ⅲ型板式無砟軌道，凈高7.25 m，基本風壓值750 kPa，在整體結構分析中采用ZK活載加載計算。

2有限元模型

2.1　模型介紹

采用空間有限元程序MIDAS建立橋梁整體計算模型。系桿、拱肋及橫撐的各桿件采用三維梁單元進行模擬，其截面特性按照實際設計截面定義。拱軸線為二次拋物線，拱肋采用啞鈴形截面，鋼管和腹腔內均填充混凝土，為等截面，拱高3.0 m，采用“雙單元、共節點”的方法模擬鋼管混凝土拱肋。吊索采用桁架單元模擬，僅考慮其軸向的拉伸剛度，梁單元整體模型如圖2所示。

2.2　施工過程模擬

施工下部構造，搭建支架及臨時墩，澆筑系桿A節段混凝土并張拉鋼束，施工示意如圖3。

圖3　系桿A節段施工示意

本階段的有限元模型分兩個步驟：

①系桿A節段混凝土澆筑

此施工步驟中需激活系桿A節段單元，系桿支架底部固結，A節段縱橫向限位，均采用一般支承，A節段與支架間采用彈性連接，施加的荷載為A節段結構自重，有限元模型見圖4(a)。

②系桿A節段鋼束張拉

此施工步驟中單元和邊界條件不變，施加系桿A節段鋼束的預加力。有限元模型見圖4(b)。

圖4　系桿A節段施工過程有限元模型

在支架上澆筑系桿B節段混凝土，主梁混凝土強度達到100%后，交錯張拉B節段中橫梁橫向預應力鋼束及縱梁預應力鋼束。B節段施工示意如圖5。

圖5　系桿B節段施工示意

本階段的有限元模型也分兩個步驟：

①系桿B節段混凝土澆筑

此施工步驟需在步驟一的基礎上激活系桿B節段單元，鈍化A節段縱橫向限位并激活B節段縱橫向限位，均采用一般支承，B節段與支架間采用彈性連接，施加B節段的結構自重荷載。有限元模型見圖6(a)。

②系桿B節段鋼束張拉

此施工步驟單元和邊界條件不變，施加了系桿B節段鋼束的預加力。有限元模型見圖6(b)。

圖6　系桿B節段施工過程有限元模型

安裝拱肋根部鋼管，在支架上澆筑拱腳、系桿C節段混凝土，主梁混凝土強度達到100%后，交錯張拉C節段端橫梁及中橫梁橫向預應力及縱向預應力鋼束。C節段施工示意如圖7。

圖7　C節段施工示意

本階段的有限元模型分3個步驟：

①系桿C節段混凝土澆筑

此施工步驟需激活系桿C節段單元，鈍化B節段約束并激活C節段縱橫向限位，均采用一般支承，C節段與支架間采用彈性連接，施加C節段的結構自重荷載，有限元模型見圖8(a)。

②系桿C節段鋼束張拉

此施工步驟單元和邊界條件不變，施加系桿C節段鋼束的預加力，有限元模型見圖8(b)。

③支座與拱腳的安裝

此施工步驟中需激活拱腳混凝土單元，拱腳與主梁采用彈性連接，施加拱腳鋼束預加力，有限元模型見圖8(c)。

圖8　系桿C節段施工過程有限元模型

在橋上搭設支架，將拱肋各分段吊裝就位并焊接拱肋之間的橫撐、斜撐及拱肋合龍段，之后泵送拱肋下管、上管內混凝土，均勻灌注拱肋腹板內混凝土，待拱內混凝土達到100%強度后，拆除拱肋支架。施工示意見圖9。

圖9　拱肋拼裝

本階段的有限元模型分三個步驟：

①拱肋鋼管安裝

此施工步驟需激活拱肋鋼管節段及橫撐、斜撐單元，施加拱肋支架支撐約束。有限元模型見圖10(a)。

②灌注管內混凝土

此施工步驟需激活拱圈混凝土單元。有限元模型見圖10(b)。

③拆除拱肋支架

施工步驟需鈍化拱肋支架和拱腳支撐約束。有限元模型見圖10(c)。

圖10　拱肋施工過程有限元模型

在拱肋上方同時進行單端張拉對稱的吊桿(即每次張拉四根)，之后拆除梁部支架。施工示意見圖11。

圖11　張拉吊桿施工過程有限元模型

本階段的有限元模型分3個步驟：

①建立下吊點，張拉吊桿

此施工步驟首先需建立下吊點，連接下吊點和系桿，之后按順序張拉吊桿，施加吊桿力。

②建立永久支墩

此施工步驟需激活拱橋永久支座，施加拱橋支座一般支承約束，并且使支座與系桿的剛性連接，同時鈍化系桿C節段縱橫向限位約束。

③拆除系桿支架

此施工步驟需鈍化系桿支架及支座單元，解除系桿支架底部固結以及支架與系桿的彈性連接。

二期恒載以均布力的形式加載于主梁之上，按120～140 kN/m計算。此施工步驟單元及邊界條件不變，施加二期荷載。

3施工過程應力檢算

3.1　澆筑各節段混凝土

澆筑各節段的混凝土后，梁部上下緣最大拉壓應力如表1所示。

表1 澆筑各節段混凝土后上下緣拉壓應力A段B段C段上緣最大壓應力/MPa0.180.871.66上緣最大拉應力/MPa0.000.000.00下緣最大壓應力/MPa0.000.761.54上緣最大拉應力/MPa0.190.190.36

澆筑各節段混凝土后，支架最大反力如表2所示。

表2 澆筑各節段混凝土后支架最大反力A段B段C段支架最大反力/kN1733.21747.33411.4

3.2　張拉各節段的預應力鋼束

張拉各節段預應力鋼束，梁部上下緣最大及最小壓應力如表3所示。

張拉各節段預應力鋼束，支架最大反力如表4所示。

表3 張拉各節段的預應力鋼束系桿上下緣壓應力A段B段C段上緣最大壓應力/MPa0.961.679.52上緣最小壓應力/MPa0.760.780.00下緣最大壓應力/MPa0.771.569.77上緣最小壓應力/MPa0.570.590.00

表4澆筑各節段混凝土支架最大反力A段B段C段支架最大反力/kN1733.21747.33411.4

3. 3 其余各階段

架設空鋼管，澆注鋼管內的混凝土，張拉吊桿，施加二期恒荷載，混凝土10年收縮徐變的影響，各施工階段分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ來表示。

各過程中產生的應力如表5所示。

表5 施工過程各階段不同截面的上下緣應力截面梁部混凝土拱肋鋼管拱肋內混凝土σ/MPaⅠⅡⅢⅣⅤ上緣σ壓max9.289.128.217.695.97上緣σ拉max0.000.000.000.000.00下緣σ壓max9.629.569.269.699.37下緣σ拉max0.000.000.000.000.00上緣σ壓max4.447.3635.2474.57102.48上緣σ壓min0.602.4810.7251.7373.15下緣σ壓max6.258.5147.1265.1188.16下緣σ壓min0.472.3019.7132.1164.11上緣σ壓max—0.525.4712.4911.08上緣σ壓min—0.332.369.908.42下緣σ壓max—0.417.0710.4710.45下緣σ壓min—0.322.756.696.76

架設空鋼管、澆筑鋼管內混凝土，梁部支架的最大反力如表6所示。

表6 施工過程各階段的梁部支架最大反力AB支架最大反力/kN8270.29715.6

由表1－6 可知:

①根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》第6. 4. 13 條，在運送及安裝階段，本橋施工階段混凝土最大壓應力0. 19 MPa≤0. 8fct= 2.48MPa，最大拉應力12. 49 MPa≤0. 8fc= 26. 8 MPa，施工階段拱肋鋼管最大壓應力102. 48 MPa≤1. 30［σw］=260 MPa，均滿足規范要求。

②在整個施工過程中，系桿混凝土上、下緣的最大壓應力隨施工進度逐漸減小，拱肋鋼管及管內混凝土應力則逐漸增大，這是由于隨著后期吊桿的張拉，系桿與拱肋逐漸形成整體，系桿有向拱肋卸載的趨勢。

③由于鋼管混凝土拱肋為組合截面，混凝土收縮徐變對拱肋上緣鋼管應力影響較大，與不考慮收縮徐變時相比應力增大了37.4%，因此選擇合理的收縮徐變計算模式至關重要。

④澆筑管內混凝土時，支架產生的反力最大，應以此階段反力作為支架結構設計依據。

4施工階段豎向撓度

系桿拱橋中拱肋與系桿的撓度有著相似的變化，施工過程中撓度最大值均發生在跨中，最小值發生在梁端部。

系桿落架前，經多次混凝土灌注，結構施工剛度加大，隨荷載增加，但系桿撓度值變化不大。

吊桿張拉完成后，系桿與拱肋形成整體，拱頂撓度增幅較大。

拆除梁部支架是系桿產生撓度最大的階段，此時需特別注意。

混凝土10年收縮徐變導致拱梁撓度均發生較大變化，收縮徐變對結構撓度的影響不容忽視。

5拱肋穩定分析

鋼管混凝土拱橋主要易出現失穩的部位是拱，而從失穩空間形態上可分為面內失穩和面外失穩[6]。穩定性驗算是為了防止出現面內失穩，橫向穩定性驗算是為了防止出現面外失穩，對于拱圈寬度小于跨徑1/20的拱橋需進行橫向穩定性驗算。

5.1　拱肋面內的穩定性

拱肋面內的穩定性，按承受最大水平推力的中心受壓桿件進行檢算，此部分為手算。

本例中EI(拱肋)/EI(系桿)=9.1%>1/80，根據《鐵路橋涵設計基本規范》5.2.12，視系桿為僅受軸向拉力的系桿，拱梁連接處為鉸接。按照雙鉸拱(雙鉸系桿拱，且用豎直吊桿與拱肋連接)計算，查《鐵路橋涵設計基本規范》表5.2.13：K=45.5×2=91。

拱的計算長度

式中L——拱的跨度;

f——拱的矢高;

K——按《鐵路橋涵設計基本規范》表

5.2.13 采用。

拱肋換算截面的剛度為

EI=0.8×EcIc+EsIs=7.976 3×107kN·m2

則拱肋截面的臨界軸壓力

由計算結果可知：

①拱肋面內穩定安全系數計算值為372 085/38 602=9.64>5，滿足規范要求。

②拱肋面內穩定主要是考慮承受最大水平推力的中心受壓桿件，由面內穩定性計算結果可知，拱形結構能較好的滿足結構的穩定性要求。

5.2　拱肋面外的穩定性

考慮的荷載：自重+二期+ZK活載(按兩線加載，換算為均布荷載)。

屈曲模態一：穩定系數為11.52>5，見圖12(a)

屈曲模態二:穩定系數為11.92>5，見圖12(b)

屈曲模態三：穩定系數為14.74>5，見圖12(c)。

屈曲模態四：穩定系數為15.48>5，見圖12(d)。

圖12　面外屈曲模態

屈曲模態五：穩定系數為18.97>5，見圖12(e)。

由穩定系數可知，拱肋最容易發生面外側傾，其次是面外對稱側傾，豎向及橫向側傾發生的概率相對較小。

6結論

采用MIDAS軟件建立系桿拱橋施工階段的有限元模型，對應力、變形及穩定性進行分析，結論如下：

①在施工過程的有限元模擬中，可通過結構組、荷載組和邊界組的激活與鈍化，實現結構的安裝與拆除、荷載的加載與卸載以及邊界條件的改變。

②在施工過程中結構體系隨施工進度不斷變化，系桿與拱肋逐漸形成整體，結構剛度不斷增大，系桿有向拱肋卸載的趨勢。

③由于鋼管混凝土拱肋為組合截面，混凝土收縮徐變對鋼管應力和橋梁整體的變形影響較大，選擇合理的收縮徐變計算模式至關重要。

④澆筑管內混凝土時，支架反力最大，是控制支架結構設計的施工階段。

⑤計算拱肋穩定性時，面外側傾及面外反對稱失穩較容易發生，設計時應以面外失穩作為拱肋驗算的重要內容。

參考文獻

[1]丁曉燕，劉凡.大跨度系桿拱橋施工過程中拱梁應力及變形的ANSYS分析[J].蘇州科技學院學報，2011,24(2):43-50

[2]史玉.客運專線尼爾森體系提籃拱橋施工技術[J].鐵道勘察，2008，34(5)：76-74

[3]羅業鳳，殷朗，韓玉.鋼管混凝土系桿拱橋穩定性分析[J].公路交通工具技術，2013(5):67-70

[4]徐升橋，任為東，劉春彥.新光大橋的設計與施工[J].鐵道勘察，2007,33(z1) ：63-71

中圖分類號:U448. 22+ 5

文獻標識碼:B

文章編號：1672-7479(2015)03-0130-05

作者簡介：陳鎖(1976—)，男，2010年畢業于北京交通大學橋梁專業，工程師。

收稿日期：2015-04-30