非對稱鋼結構拱橋施工結構分析

李騰飛，吳 帥

（新疆交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

隨著國民經濟的快速發展，國家對交通基礎設施建設的投入不斷加大。橋梁除了實現跨越溝壑的最基本功能外，作為城市建筑物的標志，更是被賦予了藝術含義[1-2]。城市景觀橋的使用越來越多，拱橋作為最基本的橋型之一，在橋梁發展史上占有比較重要的地位，由于其結構形式多樣、造型美觀，深受喜愛[3-4]。

1 工程概況

該橋上部結構為箱型鋼橋，主橋全長74.25 m，上部結構采用下承式鋼箱拱梁組合體系橋，鋼箱梁頂板、底板均布置加勁肋，下部結構橋臺采用輕型橋臺。主梁橫斷面布置為2.5 m（人行道）+2.5 m(拉索區)+7.5 m（機動車道）+2.5 m（拉索區）+2.5 m（人行道）。

全橋共設置11對斜吊桿。斜吊桿沿橋軸水平向吊點標準中心距為5 m，關于橋梁中心對稱布置，均采用單斜吊桿。為方便分析，延順橋向將左側斜吊桿編號為DG1左～DG11左，右側斜吊桿編號為DG1右～DG11右，橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置

2 結構計算

2.1 建立全橋有限元模型

為保證橋梁成橋后符合《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）要求[5]，利用有限元計算軟件Midas/Civil對主橋施工過程進行數值模擬，將鋼箱梁采用板單元模擬，加勁肋與鋼箱拱采用梁單元模擬，斜吊桿采用桁架單元模擬，全橋設置5個模擬施工階段，見圖2。

圖2 全橋有限元計算模型

按照施工階段依次對橋梁模型進行運行計算分析，通過對不同施工工況下鋼箱拱、鋼箱梁、斜吊桿的內力以及位移的變化進行比較分析，更好地了解各個施工階段結構具體部位的受力狀態和線形狀態。成橋階段施加移動荷載工況下結構位移及應力云圖，見圖3～圖5。

圖3 結構位移云圖/mm

圖4 鋼箱梁應力云圖/MPa

圖5 鋼箱拱應力云圖/MPa

由圖3～圖5結果可知，鋼箱梁、鋼箱拱應力均滿足《公路橋涵鋼結構和木結構設計規范》（JTJ 025—86）要求，且拱肋橫向穩定性滿足要求。

對于斜吊桿，在成橋恒載作用下的最大拉力為 1 240.91 kN，設計選擇的斜吊桿為PES7-61高強度平行鋼絲，破斷索力為3 920 kN，斜吊桿的安全系數均＞3.0，強度滿足設計要求。

2.2 各階段施工控制分析

鋼箱拱在各工況下豎向位移隨X軸的變化見圖6，軸向應力隨X軸的變化見圖7。

圖6 各工況下鋼箱拱位移/mm

圖7 不同工況下鋼箱拱軸應力/MPa

由圖6可以看出，各工況下鋼箱拱的位移在跨中基本對稱，各工況下最大豎向位移發生在跨中附近，最大位移值為-19 mm。

由圖7可以看出，各工況下鋼箱拱的軸向應力延順橋向先變小后增大，在順橋向坐標最大處發生最大應力-56 MPa。

鋼箱梁在不同施工階段中心線處的位移隨X軸變化見圖8。

圖8 各工況下鋼箱梁位移/mm

由圖8可知，由于斜吊桿初張力的作用，鋼箱拱中心線處的最大豎向位移為14.34 mm，發生在跨中附近；施加橋面鋪裝層后，鋼箱拱中心線處的最大豎向位移為-12.39 mm，發生在跨中附近；施加活載后，鋼箱拱的最大豎向位移為-24.47 mm，發生在在跨中附近。

不同工況下單側斜吊桿內力大小見圖9，在成橋狀態下斜吊桿內力與設計內力見圖10。

圖9 各工況斜吊桿內力/kN

圖10 不同狀態斜吊桿內力/kN

由圖10可知，模擬計算成橋狀態和設計成橋狀態下最大內力的斜吊桿編號都是DG4，在有限元模擬計算下，成橋狀態時斜吊桿最大內力為1 061.12 kN， 設計斜吊桿成橋內力最大為1 267.0 kN，與設計值相差16%，計算結果誤差較小，為保證在橋梁正常工作時各斜吊桿都在安全范圍內，因此，應該合理調整DG4、DG11斜吊桿的初拉力。

3 結語

（1）在結構有限元模型建立后要結合實際施工中出現的誤差對各參數進行修正，避免在指導施工時出現較大誤差，影響施工的正常進行。（2）在測試橋梁斜拉索內力時要注意對斜拉索的邊界條件以及長度進行綜合考慮，對于短拉索采用頻率法計算得知的斜拉索內力誤差較大，所以在計算后要對其加以修正。（3）針對Midas在不同施工階段計算的結構具體內力和位移進行分析，并計算得到結構施工各關鍵階段位移與應力均能滿足要求，總體施工控制效果良好。