勁性骨架拱橋施工過程仿真分析

邸慶輝，張　健,劉山洪

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400070)

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勁性骨架拱橋施工過程仿真分析

邸慶輝，張健,劉山洪

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400070)

以玻璃溝大橋?yàn)楸尘埃捎肕idas/Civil大型有限元分析軟件建模，根據(jù)擬定的施工順序?qū)κ┕み^程進(jìn)行具體模擬分析，從中分析施工階段各截面應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性，研究施工階段劃分的合理性。其成果將為拱橋施工提供理論依據(jù)及更好地指導(dǎo)后續(xù)施工。

勁性骨架；拱橋；仿真分析

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，西部山區(qū)需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，同時(shí)需要建設(shè)大量的橋梁，尤其是跨越兩個(gè)峽谷之間，而鋼管混凝土勁性骨架拱橋又適應(yīng)時(shí)代的要求。鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁鋼管內(nèi)而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，其基本原理是借助鋼管對(duì)混凝土的套箍約束作用[1]，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和更高的塑形變形能力。而套箍約束是在工程上，外部材料有效約束內(nèi)部的橫向變形，從而提高內(nèi)部材料的抗壓強(qiáng)度和變形能力。勁性骨架拱橋一般采用纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，施工難度大，且施工過程中的受力狀態(tài)發(fā)生著不斷變化。所以，有必要對(duì)其施工過程進(jìn)行模擬分析。

1　工程背景

玻璃溝大橋?yàn)檠诺a江兩河口水電站庫(kù)區(qū)復(fù)建縣道X037線溪工溝至尤拉西溝段的一座勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋。主孔為凈跨170 m，孔跨布置為3×13 m連續(xù)板+170 m勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋+20 m簡(jiǎn)支空心板，拱橋總長(zhǎng)247 m。主橋采用170 m上承式箱型拱橋，凈矢高34 m，凈矢跨比1/5，拱軸線型為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543。橋面全寬8 m。骨架采用φ377×12的Q345C的無(wú)縫鋼管作主骨架及Q345C的槽鋼作腹桿、平聯(lián)、橫聯(lián)桿件。橋型布置如圖1所示。

圖1　玻璃溝大橋橋型布置(單位:m)

2　施工方法

2.1肋勁性骨架吊裝

拱肋采用纜索吊裝斜拉扣掛法，從拱角到拱頂分5個(gè)工作面對(duì)稱吊裝施工。施工循序如圖2所示。

圖2　勁性骨架吊裝示意

2.2內(nèi)灌C50混凝土

鋼管內(nèi)灌混凝土順序：先灌注上弦管，再灌注下弦管；先灌注外側(cè)管，再灌注內(nèi)側(cè)管。澆筑時(shí)應(yīng)全橋?qū)ΨQ均衡加載。

2.3外包混凝土

拱圈總共分“三環(huán)八段”對(duì)稱澆筑，“三環(huán)”為底板混凝土、腹板混凝土、頂板混凝土，先對(duì)稱澆筑底板混凝土直至合龍，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后再對(duì)稱澆筑全部腹板混凝土至合龍。待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后再對(duì)稱澆筑中箱底板混凝土至合龍，最后澆筑頂板混凝土至合龍。施工過程如圖3、圖4所示。

圖3　拱圈混凝土縱向澆筑順序

圖4　拱圈混凝土橫向澆筑順序

2.4拱上建筑施工

從拱腳到拱頂均勻?qū)ΨQ澆筑拱上立柱及蓋梁，并預(yù)埋空心板錨栓；空心板吊裝：縱向從拱腳至拱頂均衡對(duì)稱勁性，橫橋向每跨由中間向兩側(cè)依次安裝4片預(yù)制橋面板，形成通道及工作平臺(tái)，然后進(jìn)行橋面連續(xù)，橋面鋪裝，人行道、欄桿和路燈的安裝，完成橋梁施工。

為保證結(jié)構(gòu)的安全, 對(duì)涉及拱圈混凝土分段、分環(huán)澆筑施工進(jìn)行了細(xì)化, 具體施工階段劃分見表1。

表1　施工程序

3　模型

模型仿真計(jì)算采用2015 Midas版本，建模采用梁-板組合模型[2]。全橋劃分2 369個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 568個(gè)單元，其中包括4 762個(gè)梁?jiǎn)卧?06個(gè)板單元，模型見圖5。

圖5　成橋計(jì)算模型

3.1材料參數(shù)

玻璃溝大橋主要材料參數(shù)見表2。

表2　玻璃溝大橋材料參數(shù)

3.2混凝土收縮徐變

拱圈外包混凝土頂、底板的理論厚度由0.8 m漸變成0.4 m，外腹板由0.55 m變成0.3 m，中腹板的厚度為0.3 m。外包混凝土初始加載齡期取6個(gè)月(180 d)，收縮徐變計(jì)算到鋪裝完成后10 a。

3.3二期恒載

橋面鋪裝：先在橋面板上澆筑10 cm的C50合成纖維混凝土調(diào)平層，其鋼筋網(wǎng)離水泥水泥混凝土鋪裝上表面的凈保護(hù)層為3 cm。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70 %后，在其上均勻涂刷BBC-251Ⅱ型道橋用聚合物改性瀝青防水涂料。待防水層干燥后，在防水層上面4 cm的細(xì)粒式瀝青混凝土。

4　施工階段模擬

4.1模擬內(nèi)容

各施工階段控制截面鋼管應(yīng)力、混凝土應(yīng)力模擬；控制截面位移模擬；主拱圈穩(wěn)定性模擬。

4.2撓度和應(yīng)力模擬

玻璃溝大橋根據(jù)施工階段劃分，對(duì)各階段控制截面撓度、鋼管應(yīng)力、主拱圈混凝土應(yīng)力主拱圈穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果見圖6～圖10，其中應(yīng)力正為拉應(yīng)力，負(fù)為壓應(yīng)力。

圖6　施工階段理論撓度值

圖7　下弦桿鋼管控制截面理論應(yīng)力

圖8　上弦桿鋼管控制截面理論應(yīng)力

圖9　上弦桿內(nèi)灌混凝土控制截面理論應(yīng)力

圖10　下弦桿內(nèi)灌混凝土控制截面理論應(yīng)力

由圖6可知，整個(gè)施工階段控制截面的下?lián)蠐隙葞缀醵际蔷鶆蜃兓模钡綕仓吧狭⒅蜕w梁時(shí)，撓度下滑迅速，可見澆筑拱上立柱的重量是比較大的。施工時(shí)，更應(yīng)該采取均勻?qū)ΨQ的施工方法，堅(jiān)決按照拱橋的施工控制[3]。施工控制是一個(gè)施工→測(cè)試→識(shí)別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程。施工控制的目的是保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全以及外形和內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求。

由圖7～圖10可知，勁性骨架合龍后，從理論模擬數(shù)據(jù)出發(fā)，可以清楚的看出不論鋼管還是混凝土都是在1/8截面處的應(yīng)力在各個(gè)施工階段中處于最大處，所以在施工監(jiān)控中，應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)控。同時(shí)，鋼管的最大軸向壓應(yīng)力為181 MPa,內(nèi)灌混凝土的壓應(yīng)力最大9.24 MPa，可見拱肋的應(yīng)力均大大小于鋼管強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[4]。拱肋的的整體受力安全。

4.3穩(wěn)定性分析[5]

拱的穩(wěn)定從失穩(wěn)形態(tài)分為面內(nèi)穩(wěn)定和面外穩(wěn)定;從失穩(wěn)時(shí)是否發(fā)生平衡分支又分為分支點(diǎn)失穩(wěn)和極值點(diǎn)失穩(wěn)。在沒有考慮非線性影響的條件下，失穩(wěn)時(shí)屬于分支點(diǎn)失穩(wěn)，而分支點(diǎn)失穩(wěn)常用的計(jì)算方法是通過求解特征值得到彈性臨界荷載，因此它只是真實(shí)解的上限，工程中一般要求彈性分支點(diǎn)失穩(wěn)的臨界荷載為實(shí)際荷載的4～6倍。

勁性骨架拱橋的失穩(wěn)與一般拱橋的失穩(wěn)不同,勁性骨架和混凝土板的受力是分次疊加的, 每次加載的承載結(jié)構(gòu)都不同,導(dǎo)致勁性骨架弦桿和腹桿的受力不均勻。因此，需要模擬各個(gè)階段的穩(wěn)定系數(shù)。

拱橋施工階段通過特征值求解的一階特征值作為穩(wěn)定系數(shù)，要求達(dá)到4～5(圖11)。

圖11　各施工階段穩(wěn)定系數(shù)

由圖11可見：在澆筑底板混凝土階段(3～7施工階段)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)處于最低點(diǎn)，不滿足要求，其余階段均滿足要求；澆筑底板混凝土，腹板混凝土?xí)r，在不合龍之前，穩(wěn)定系數(shù)變化不大，合龍之后穩(wěn)定系數(shù)提升；澆筑頂板混凝土階段時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)步提升，可見，拱圈的形成提高了拱橋的穩(wěn)定系數(shù)。

5　模型的優(yōu)化調(diào)整

由于拱橋在施工前，所有的模擬分析都是按照施工圖紙?jiān)诶硐牖癄顟B(tài)下進(jìn)行模擬分析計(jì)算的，而在實(shí)際施工過程中，影響拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形因素很多，主要有以下幾方面。

(1)施工臨時(shí)荷載( 施工機(jī)具及模板等) ;

(2)合龍溫度及日照的影響;

(3)現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土澆筑方量的控制;

(4)混凝土收縮和徐變的影響(主要包含強(qiáng)度-時(shí)間實(shí)際發(fā)展曲線定義及收縮徐變應(yīng)變-時(shí)間實(shí)際發(fā)展曲線定義)。

針對(duì)以上影響因素，監(jiān)控過程中將根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型進(jìn)行逐階段優(yōu)化調(diào)整，使之不斷接近實(shí)際。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文通過運(yùn)用大型有限元軟件Midas/Civil建模，對(duì)玻璃溝大橋各個(gè)施工階段模擬分析發(fā)現(xiàn)，按照設(shè)計(jì)施工工序，玻璃溝大橋各個(gè)施工階段下?lián)系奈灰疲显O(shè)計(jì)要求；各個(gè)階段的應(yīng)力均未超過材料容許應(yīng)力；同時(shí)，在各個(gè)施工階段的穩(wěn)定分析中，澆注底板混凝土的穩(wěn)定系數(shù)未達(dá)到要求，說明在施工時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)骨架的橫向連接，保證施工安全。

[1]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].人民交通出版社,1997.

[2]米曦亮，栗勇.勁性骨架在混凝土拱橋中的應(yīng)用和模擬方法研究[J].城市道路與防洪，2013,6(6):93-96.

[3]張征文，王巍，江根明.大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋的施工及控制[J].建筑施工，2007，29(4)：284-285.

[4]JTG D62-2012 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]趙雷，杜正國(guó).大跨度鋼筋混凝土拱橋鋼管混凝土勁性骨架施工穩(wěn)定性分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(4)：446-446.

邸慶輝(1989～)，男，碩士，研究方向?yàn)榈罉蚺c隧道工程及檢測(cè)。

U445.469

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[定稿日期]2016-03-16