跨高速頂推施工下承式系桿拱橋受力分析

杜建成 陳海斌 郭繼業

1.珠海市規劃設計研究院 廣東 珠海 519001

2.廣東省建筑設計研究院有限公司 廣東 廣州 510010

1 工程概況

本項目下承式系桿拱位于屏北一路高架橋處，高架橋跨越廣澳高速時，因需連續跨越廣澳高速、南屏互通立交A、B、C、D匝道、遠期匝道，橋梁跨徑定為1×129m，為下承式簡支系桿拱。上部結構鋼結構梁，主縱梁為鋼箱結構，垂直寬1.6m，高2.0m，系梁之間采用縱、橫向鋼結構連接，中橫梁跨中總高為2.186m。拱高25.408m（拱豎直投影），面內高25.8m，失跨比1/5，拱肋采用鋼箱拱，單條拱肋寬1.6m，高2.0m，整體呈提籃式，內傾10°，兩榀拱肋頂部對稱設置5道箱梁風撐。

圖1 拱橋立面圖（單位:cm）

圖2 拱橋平面圖（單位:cm）

為減少施工對高速公路的影響，本項目主橋上部結構采用步履式頂推的施工方法。相較于傳統設置頂推反力架的水平頂推方法，步履式頂推具有無水平力施工、沉降適應性強、不需要平整滑道、可調整主梁受力施工精度和安全性高等優點[1]。主橋頂推施工方案如下：

圖3 拱橋斷面圖（單位:cm）

1.施工樁基、承臺、墩柱、主墩和帽梁；

2.施工臨時支墩和拼裝支架；

3.在支架上拼裝縱橫梁、拱肋、風撐、臨時風撐、前后導梁（前導梁30m，后導梁24m）；

4.將主橋頂推到設計橋位；

5.拆除導梁、臨時斜撐后，從跨中向兩側張拉吊索；

6.拆除臨時支墩，并將主橋落在永久支座上；

7.施工引橋蓋梁，吊裝小箱梁和鋼箱梁；

8.施工橋面鋪裝、欄桿等設施，成橋。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型

主橋按鋼結構設計，采用Midas Civil 2020軟件進行結構分析，拱、風撐、系桿、縱橫梁、導梁采用梁單元模擬，采用桁架單元模擬吊索、系桿索。計算模型見下圖：

圖4 主橋有限元模型

計算采用參數如下：

1.鋼材密度：78.5kN/m3，鋼筋混凝土密度：26kN/m3，瀝青混凝土重力密度：24kN/m3。

2.整體升溫溫差：25℃，整體降溫溫差：-25℃。吊索與鋼構件正溫差：10℃，吊索與鋼構件負溫差：-10℃。

3.風速：42.9m/s，臺站名稱：金灣，重現期：100年。

2.2 短暫狀況承載能力驗算

2.2.1 鋼構件應力驗算

施工過程中鋼結構正應力最大/最小值如下：

施工階段鋼構件正應力最大值為118＜270MPa，滿足規范要求。

圖5 施工階段結構正應力（單位:MPa）

2.3 承載能力極限狀態驗算

2.3.1 鋼構件應力驗算

運營階段鋼結構正應力最大/最小值如下：

圖6 運營階段結構正應力（單位：MPa）

運營階段鋼構件正應力最大值為228＜270MPa，滿足規范要求。

2.3.2 吊索和系桿索承載能力驗算

吊索采用GJ15-19鋼絞線整束擠壓索，抗拉強度標準值為1860MPa。系桿索采用XGKⅠ15-22-B可換可調式環氧噴涂鋼絞線成品索，抗拉強度標準值為1860MPa。

運營階段計算結果可知，運營階段吊索拉力值范圍為848～1631kN。吊索綜合系數：

運營階段系桿索拉力值范圍為1440～1815kN，吊索綜合系數：

由上可知，吊索和系桿索在運營階段的承載力均滿足規范要求。

2.3.3 穩定性驗算

運營階段主橋結構第一階屈曲模態及相應的靈界荷載系數計算結果如圖7所示：

圖7 主橋結構第一階屈曲模態

臨界荷載系數為7.379＞4，穩定性滿足要求。

2.4 正常使用極限狀態驗算

2.4.1 撓度驗算

根據現有規范要求，活載作用下拱的撓度小于L/500=129000/500=258mm，系桿撓度小于L/500=129000/500=258mm，由以上撓度計算表可見，拱和系桿在活載作用下的撓度均小于規范限值，結構剛度滿足要求。

2.4.2 動力特性

橋面上設置人行道時，為提高行人的舒適感，結構頻率需避開2.5～3.5Hz的頻率范圍。結構頻率與周期數值見表1：

表1 結構頻率和周期

由此可知，模態1～模態35頻率均小于2.5Hz，前35階模態頻率均不在人感頻率范圍內，滿足要求。

3 結束語

本文結合有限元分析軟件Midas/Civil對屏北一路與屏北三路連通工程主橋進行建模，并對其受力性能進行分析，主要得到以下結論：

（1）步履式頂推施工過程中，結構正應力最大值為118MPa，在允許的范圍內，受力合理；

（2）運營階段中結構最大正應力為228MPa，吊索和系桿索的綜合系數分別為3.0和3.1，均滿足持久狀況承載能力極限狀態允許范圍。橋梁主體結構臨界荷載系數為7.379，滿足結構穩定性要求；

（3）活載作用下，橋梁結構撓度較小，剛度較為合理。結構自振頻率小于2.5Hz，滿足人行要求。

根據本文的計算結果表明，橋梁結構強度、剛度、穩定和動力性能均滿足要求。