基于不同施工方法的大跨徑勁性骨架拱橋受力特性研究

孫文會 陳鵬柱 黃柏楊 楊茂開 梁化森

(1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司 天津 300308； 2.烽火通信科技股份有限公司 武漢 437000；3.武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430040； 4.中鐵十五局集團第四工程有限公司 鄭州 450000)

隨著國家交通基礎設施建設步伐的加快，大跨徑橋梁的建設數量與建設規模日益擴大，然而大跨徑橋梁施工中的問題也逐漸凸顯出來。在橋梁施工過程中，每一個施工階段，結構的線形都在發生變化，結構的各個部位的受力也在發生變化[1-2]。施工方法的確定是連接大跨徑橋梁設計與施工的重要環節。大跨徑橋梁施工方法的優化對施工周期、成橋狀態和建設質量起著決定性的作用[3-4]。因此需要合理的優化施工方法，減小施工方法對橋梁構件的內力影響。北盤江特大橋主拱采用鋼管混凝土勁性骨架法施工，施工過程結構體系轉換多，結構復雜、工程規模大、施工步驟特別多、控制難度大、控制因素多[5-7]。本文以北盤江特大橋為例，對比分析橋梁在不同施工方式下的受力狀況；以期對同類型橋梁的設計和施工提供一定的指導。

1 工程概況

滬昆客運專線長沙至昆明段的北盤江特大橋全長727.3 m，是目前世界跨度最大的勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。該橋主跨445 m，矢高為100.0 m。主跨由4片桁式拱肋組成，拱肋上下連接系之間的中心距離為8.0 m，拱肋上下鋼管之間的中心距離為7.95 m，腹桿、橫聯、平聯等桿件采用組合角鋼連接。拱肋節段從拱腳到拱頂大橋兩側各20個節段，跨中設1 m合龍段，全橋共41個吊裝節段。拱圈為單箱三室、等高、變寬箱型截面，拱圈高度9.0 m，拱頂315 m段為18 m等寬，拱腳65 m段為18～28 m變寬，拱圈變寬由左右2個邊室的寬度變化來實現。拱箱中間箱室采用980 cm 等寬截面，左右2個邊箱室采用350～850 cm的變寬，同一截面中箱和邊箱頂底板采用不同的板厚，其橋型布置見圖1。

圖1 北盤江特大橋橋型布置圖

2 有限元計算模型

為了研究大跨度勁性骨架拱橋按照不同施工方法在不同施工階段的受力特性，本文采用midas Civil軟件對北盤江特大橋施工階段進行分析。鋼骨架用梁單元模擬，扣索用桁架單元模擬，外包混凝土用板單元模擬。邊界條件為扣索錨固點和拱腳預埋段固結約束。主梁橋起始端約束豎向和橫向位移及側向轉角，末尾端約束兩向位移(釋放縱向)及側向轉角約束。全橋共有3 654個節點，15 161個單元(其中有8 745個梁單元，6 264個板單元、152個只受拉單元)，計算未考慮鋼管內灌及外包混凝土收縮徐變，計算模型見圖2。

圖2 全橋midas計算模型

3 有限元模型施工階段分析

3.1 施工方式對比分析

北盤江特大橋主橋上部構造安裝方案先采用纜吊輔助進行勁性骨架斜拉扣掛懸拼施工，再依次進行管內混凝土和外包混凝土施工，最后施工拱上結構。具體如下：①拱肋懸拼，大橋兩岸分別自拱座第1節段開始對稱向跨中拼裝至第20節段；②拱肋合龍，根據合龍口尺寸下料、制造合龍段實施主拱肋合龍；③灌注鋼管混凝土；④分階段外包混凝土；⑤立柱施工；⑥主梁施工。在階段④分階段外包混凝土中，根據現場施工的實際情況，采用不同的扣索和外包混凝土方式，擬按照2種不同的施工方式施工。方式I先分3個工作面澆筑底板混凝土，再澆筑拱腳74 m范圍內全斷面外包邊箱外包混凝土，然后分2個工作面外包拱肋上半段邊箱腹板、頂板混凝土直至合龍；最后分3個工作面立模澆筑拱圈中箱底板、頂板混凝土直至合龍；方式II先分3個工作面澆筑底板混凝土，再澆筑拱腳44 m范圍內全斷面外包邊箱外包混凝土，然后分2個工作面外包拱肋上半段邊箱上腹板和下腹板、頂板混凝土直至合龍；最后分3個工作面立模澆筑拱圈中箱底板、頂板混凝土直至合龍。施工方式I采用12根二次扣索，而施工方式II采用9根二次扣索，因此，施工方式II更方便快速。

3.2 施工階段分析

北盤江特大橋按照不同的施工方式，分別建立有限元模型。北盤江特大橋按照2種不同的施工方式施工到同一節段的典型不利施工階段如下：①鋼管骨架合龍；②拆除骨架扣索；③灌注鋼管內全部混凝土；④澆筑全部邊箱底板；⑤張拉全部二次扣索；⑥澆筑全部邊箱腹板；⑦澆筑全部邊箱頂板；⑧拆除全部二次扣索；⑨澆筑全部中箱底板；⑩澆筑中箱隔板；○11澆筑全部中箱頂板；○12施工拱上主墩；○13施工拱上主梁；2種不同的施工方式的主要區別見圖3、圖4。

圖3 施工方式I

圖4 施工方式II

在不同施工階段條件下，拱肋鋼管最大壓應力和拱肋鋼管內混凝土的最大壓應力分別見圖5、圖6。

圖5 拱肋鋼管最大壓應力圖

圖6 鋼管拱內混凝土最大壓應力圖

由圖5可見，隨著施工過程的不斷推進，不同施工方式對應的鋼管拱最大壓應力不斷增大，兩者的增長規律一致。在施工拱上結構以前，鋼管的最大壓應力增大比較緩慢[8-9]。在不同的施工階段下，施工方式I的鋼管最大壓應力基本都小于施工方式II，但兩者相差不大。拱肋鋼管壓應力在施工拱上主梁時達到最大，最大值為316.0 MPa，該值小于鋼材容許壓應力，滿足要求。

由圖6可見，隨著施工過程的不斷推進，鋼管內混凝土的最大壓應力不斷增大。在不同施工階段，施工方式I的鋼管內混凝土最大壓應力基本都小于施工方式II，但兩者數值相差不大。拱肋鋼管內混凝土的最大壓應力在施工拱上主梁時達到最大，除了立柱作用點附近內灌注混凝土的應力偏大是由于應力集中現象引起的以外，其余最大壓應力為32.0 MPa，該值小于C60鋼管混凝土容許壓應力，滿足要求。

在不同施工方式條件下，不同施工階段的外包混凝土板最大拉應力和最大壓應力見圖7、圖8。

圖7 外包混凝土板最大拉應力圖

圖8 外包混凝土板最大壓應力圖

由圖7可見，在不同施工工況下，施工方式I的外包混凝土板最大拉應力變化幅度較大，而施工方式II的外包混凝土最大拉應力不斷增大。施工方式II相對于施工方式I減少了3根二次扣索，因此施工方式II施工更快捷。在不同施工階段，施工方式II外包混凝土板的最大拉應力基本都小于施工方式I。施工方式II外包混凝土拉應力在澆筑邊箱下腹板時達到最大，最大拉應力0.7 MPa，該值小于C60鋼管混凝土容許拉應力，滿足要求。

由圖8可見，隨著施工的不斷進行，外包混凝土板的最大壓應力不斷增大。施工方式I在各個不同的施工階段外包混凝土板的最大壓應力基本都小于施工方式II，但兩者相差不大。外包混凝土壓應力在施工拱上主梁時達到最大，最大壓應力為19.5 MPa，該值小于C60混凝土容許壓應力20 MPa，它是由于應力集中現象引起的[10-11]。而除此之外，在拱頂處附近其壓應力達到最大，最大壓應力值為18.8 MPa，該值小于C60鋼管混凝土容許壓應力，滿足要求。

2種不同的施工方式在各施工階段的主拱圈最大豎向位移見圖9。

圖9 主拱最大位豎向移圖

由圖9可見，隨著施工的不斷進行，主拱圈最大豎向位移不斷增大，2種施工方式的增長規律一致。在澆筑全部邊箱頂板以前，主拱最大豎向位移增大比較快；施工方式I在各個不同的施工階段主拱最大豎向位移基本都小于施工方式II。主拱最大豎向位移在施工拱上主梁時達到最大，最大值為-421.0 mm，發生在靠近跨中處。

3.3 運營階段

在運營階段，外包混凝土最大拉應力為1.0 MPa，發生在拱腳處局部范圍；最大壓應力為25.9 MPa，發生于4號立柱局部范圍內這是由應力集中現象引起的，可以通過適當的配筋加強；除此之外，在拱頂處附近其壓應力達到最大，最大壓應力值為20.3 MPa。在運營階段，骨架鋼管壓應力最大值為328.0 MPa，最小為25.9 MPa。拱肋鋼管內混凝土最大壓應力除了立柱作用點附近內灌注混凝土的應力偏大是由于應力集中現象引起以外，其余最大壓應力為35.0 MPa，出現在靠近跨中處，鋼管管內混凝土及混凝土板應力見表1。

表1 運營階段應力變化表 MPa

注：壓應力為負，拉應力為正，無拉應力時給出最小壓應力數值。

4 結論

1) 通過對比分析2種不同施工方式條件下拱肋鋼管及其鋼管內混凝土的最大壓應力。鋼管和管內混凝土的最大壓應力隨著不斷施工而逐漸增大；在不同施工階段狀態下，施工方式I的拱肋鋼管及其鋼管混凝土的最大壓應力基本都小于施工方式II，但兩者相差不大，施工方式II外包混凝土板的應力更均衡。拱肋鋼管及其鋼管內混凝土最大壓應力在施工拱上主梁時達到最大，發生在靠近跨中處。但施工方式II相對于施工方式I減少了3根二次扣索，施工更方便快捷。

2) 主拱最大位移隨著不斷施工而增大，但施工方式I在各個不同的施工階段主拱最大位移基本都小于施工方式II。主拱最大位移在施工拱上主梁時達到最大，發生在靠近跨中處。

3) 在運營階段，外包混凝土的最大拉應力和最大壓應力分別發生在拱腳處局部范圍和在靠近拱頂處。骨架鋼管最大壓應力，發生在靠近跨中處；內灌混凝土最大壓應力發生在靠近跨中處。