拱橋臨時系桿力優化問題研究

尹 子 濤

(中鐵九局集團有限公司第五工程有限公司，遼寧 大連 116600)

拱橋臨時系桿力優化問題研究

尹 子 濤

(中鐵九局集團有限公司第五工程有限公司，遼寧 大連 116600)

以某拱橋工程為例，提出了一種臨時系桿力的優化設計方法，通過建立有限元模型，分析了拱肋施工過程中臨時系桿力的變化情況，驗證了優化方案的合理性，保證了施工的順利進行。

拱橋，拱肋，應力，有限元模型

1 背景

近年來，隨著科學技術的發展，橋梁的設計和施工技術水漲船高。施工技術方面，懸臂施工，頂推施工，轉體施工等等先進施工技術逐漸成為主導力量，特別是無支架施工技術的發展使用，提高了拱橋在大跨徑橋梁中的建設比例[1，2]。現代橋梁的飛速發展離不開橋梁施工方法的發展和創新，比如水泥的出現推動混凝土橋代替了石拱橋。鋼材的出現使大跨徑橋梁得以飛速發展并減輕了橋梁自重，懸臂施工技術使跨越道路時可以不影響橋下正常交通。隨著橋梁施工技術的發展，在梁橋、斜拉橋等橋型施工中開創的懸臂施工法也可以用于拱橋的施工中，比如頂推法、懸索吊掛法等先進的施工方法[3,4]。施工方法對于拱橋的影響是決定性的，研究創新拱橋施工方法，對于拱橋的發展起到不可替代的作用[5]。

本文以某地大橋為參考，研究干溝大橋臨時系桿優化問題。橋梁主干道的設計時速為60 km/h，該橋為下承式拱橋，橋梁全長272 m，橋寬34 m，該橋為混合梁式結構，主梁橫斷面為鋼筋混凝土箱形截面，兩端實體式。拱肋為鋼箱梁，在主梁與拱肋連接部位設置連接段，材料為鋼筋混凝土。橋梁設置縱坡1.5%，橫坡0.8%，吊桿間距均為7.0 m。

2 有限元模型

由于該橋跨徑大、自重大，根據受力分析可知拱肋的上緣受壓，而下緣受拉，拉壓共同作用導致拱橋拱肋向下撓曲，故為了保證橋梁施工安全，減小局部應力，在吊裝橋拱肋的施工過程中需要設置一定數量的臨時系桿。這些系桿力的大小會影響到成橋狀態拱肋的應力，所以施工過程中臨時系桿應力的大小會是關鍵工序之一。本文通過有限元模型的建立并分析，找到適合本橋的張拉順序及各吊桿的張拉控制應力保證施工安全[6]。采用ANSYS軟件進行橋梁數值仿真，該橋的有限元計算模型見圖1。

3 分析計算

全橋有限元分析：計算可知，拱肋內部應力的大小受臨時系桿內力影響比較明顯。在建模計算過程中改變臨時系桿應力的大小，可以得到相應情況下拱肋應力的極值范圍，當臨時系桿力控制在4 500 kN～13 500 kN之間而中段力在9 500 kN～17 500 kN之間時，對應的拱肋應力值見表1。

表1 拱肋成橋最大應力(系桿力不同)

4 優化措施及施工應用

由有限元計算結果分析可以看出，橋梁臨時系桿加勁肋與橋梁結構拱肋底板連接處出現了較明顯的應力集中，應力集中在工程結構中是很危險的。為了避免較大的應力集中對結構破壞，應對拱肋部分加強改進，通過改變不同參數最終確定拱肋的加強方案。即增加加強隔板1的厚度，厚度分別是15 mm，36 mm和55 mm。模型拱肋的應力大小如表2所示。

表2 拱肋應力

通過以上計算對比我們可以看出：

1)當加強隔板1加大的時候拱肋各部位的應力明顯減小；2)加強隔板1的變大的時候，拱肋底板應力到一定程度后就不再發生變化；3)縱向加勁肋不因加強隔板1后的發生改變而改變；4)其自身的應力與厚度成反比。

根據計算分析可知，該橋梁最終選用的加強方案是：增加加強隔板1，厚度為36 mm。各部位應力圖如圖2，圖3所示。

5 結語

通過建立有限元模型分析了拱肋施工過程中臨時系桿力的變化，結合拱橋施工控制的原理和方法，得出了能指導施工張拉過程的最優的系桿應力大小。從計算結構可以看出，拱肋應力均小于195 MPa，滿足鋼結構允許應力，而拱肋內側會產生應力集中現象。為使臨時系桿張拉力均勻分散到拱橋拱肋上，必須對其內部進行加固處理。通過對優化模型的分析從而提出了設置加強隔板的位置和尺寸的最終解決方案，保證了施工順利安全完成。

[1] 范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 徐小云.鋼管拱橋的設計及施工工藝[J].山西建筑，2013，39(21):63-64.

[3] 張 承.特大橋鋼管拱施工技術[J].山西建筑，2012，38(3):16-18.

[4] 劉振宇.大跨度梁拱組合橋梁結構優化分析[D].武漢:華中科技大學，2006.

[5] 王永安,劉世同.斜拉橋索力優化理論研究[J].公路，2006(5)：21-23.

[6] 顧安邦,張永水.橋梁施工監測與控制[M].北京:機械工業出版社,2005.

Abstract: Taking some arch bridge as the example, the paper points out the optimal design approach for the temporary tied member force, analyzes the changes in the tied member force according to the establishment of the finite element model, and proves the optimal schemes are reasonable, so as to ensure the smooth operation in the construction.

Key words: arch bridge, arch rib, stress, finite element model

Research of arch bridge temporary bracing force optimization

Yin Zitao

(FifthEngineeringCo.,LtdofChinaRailwayNineBureau,Dalian116600,China)

2016-03-12

尹子濤(1970- )，男，工程師

1009-6825(2016)15-0175-02

U448.22

A