啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋施工過程受力研究

黃海珊 林本虎 梁高榮

【摘要：】文章以某高速公路啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋為工程依托，結合工期和經濟性兩方面確定了合理的施工方案，并采用數值模擬的方法對拱橋吊裝施工過程的受力情況進行分析，通過建立拱腳局部模型及施工過程關鍵階段、成橋階段的數值模型，研究了拱橋施工過程中最不利受力工況的受力及成橋后的受力狀態。結果表明：采用豎向轉體吊裝進行拱橋施工，具有良好的經濟性，且拱腳受力合理，施工過程各關鍵階段應力均低于設計規范，成橋狀態結構受力良好。

【關鍵詞：】系桿拱橋;方案;有限元;受力分析

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0 引言

拱式結構作為橋梁結構的一種基本型式，具有跨越能力大、外形美觀、造價低等特點[1]。啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋作為拱橋的一種型式，拱肋水平推力依靠預應力系桿來平衡，可大大減少拱肋對基礎的水平推力，具有極大的推廣價值。但系桿拱橋的施工過程復雜，需要的施工設備繁多，在拱肋合龍前，已安裝節段為懸臂結構，可靠性低;另一方面，系桿未張拉時，由自重、施工荷載等產生的水平推力主要依靠拱腳基礎承受，因而要求拱腳基礎具有一定的承載能力。因此，研究拱腳局部、懸臂吊裝過程的受力情況及成橋受力狀態，進而指導拱橋施工具有重要意義。

1 工程概況

某啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋上部結構采用下承式梁拱組合型式，主跨跨徑為134 m，計算矢高為33.5 m，拱軸系數為2.0，計算矢拱度為1：4。拱肋上下兩根鋼管由鋼板連接成等截面鋼-混組合結構，拱肋截面高2.8 m，寬1.2 m，管內灌注填充C50自密實混凝土。成橋后的拱肋水平推力主要依靠縱梁預應力系桿承擔。吊桿通過鋼絞線整束擠壓而成拉索體系，兩端錨具安裝有可適應變位和可調節長度的球形墊板和螺母，兩吊桿之間間隔8 m。橋道系為雙縱肋式，兩肋橫向距離為12.8 m。拱腳部位采用鋼-混組合型式，截面變高，寬度為1.9 m。在全橋范圍內每對吊桿位置的縱肋之間安設橫隔板，橋面系兩側各設置一道140 cm厚的端橫梁，橋面板厚度為28 cm。

2 施工方案比選

根據設計要求，提供兩種施工方案如下：

方案一：采用依次對稱吊裝拱肋節段的方式，直至合龍段架設完成。各節段吊裝工藝次序為[2]：起吊→對中→臨時錨固→調節線形→定位焊接→調節線形→焊接合龍→無損檢測。拱肋節段安裝布置如圖1所示。

方案二：采用豎向轉體提升施工方法。在主跨中心處安設豎轉塔架，塔架用塔吊與吊車協作安裝完成。每一節段拼裝完成后安裝壓塔索和纜風繩，然后張拉至設計要求，轉變為穩定結構[3];而后在塔頂安裝千斤頂、卷揚機等轉體所需設備。鋼管拱分段吊裝根據設計文件采用兩側對稱依次提升拱肋節段的方式，直至拱肋合龍。豎向轉體施工方案設計見圖2。

結合本工程實際施工情況，對兩種施工方案的施工工期和經濟性進行比選（見表1）。

由表1可知，方案二較方案一具有工期短、節約材料、經濟合理的優點，故進行啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋吊裝施工時，優先選擇豎向轉體的工藝方法。

啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋施工過程受力研究/黃海珊，林本虎，梁高榮

3 拱腳局部受力分析

拱腳作為拱橋受力的關鍵部位，承擔著自重、預應力、活載等相關荷載，尤其在施工期間，拱橋的受力體系及受力狀態不斷改變，其應力及變位亦隨之發生改變，受力復雜且量值較大。因此，選擇有代表性的受力工況，建立局部實體模型研究拱腳應力分布，具有顯著的工程意義。

3.1 模型建立

采用大型結構計算軟件Midas FEA建立拱腳精細化數值模型，如圖3所示，研究不同工況下拱腳的受力情況。建模時，忽略普通鋼筋的作用，啞鈴型主拱、管內混凝土、混凝土系梁運用實體單元模擬，并自動劃分實體網格，共有23 360個節點、116 396個單元。本次分析忽略粘結滑移效應。

3.2 受力分析

通過全橋整體模型分析，選取施工過程中的關鍵施工工況模擬細部受力狀況。選取以下四個最不利荷載工況：

（1）工況1：第1根和第15根吊桿張拉;

（2）工況2：跨中最后一根（第8根）吊桿張拉;

（3）工況3：吊桿張拉完畢拆除橋道梁滿堂支架;

（4）工況4：二期恒載鋪裝。

各工況荷載作用下拱腳局部最大位移和應力有限元計算值如表2所示。

表2所列結果表明，各種最不利工況施工條件下，拱腳最大縱向位移為1.41 mm，最大豎向位移為0.74 mm;拱腳混凝土最大主拉應力和主壓應力分別為2.42 MPa和-35.64 MPa;拱肋混凝土最大主拉應力及主壓應力分別為1.75 MPa、-13.83 MPa，均出現在工況4。二期恒載鋪裝完成后，造成混凝土主拉應力過大的原因是混凝土和鋼管拱肋結合部出現應力集中現象。拱肋鋼管最大主拉應力及主壓應力分別為21.36 MPa和-77.84 MPa，低于鋼材的屈服強度，且具有豐富的應力儲備。

4 施工階段拱肋受力分析

4.1 有限元模型的建立

全橋數值模型采用橋梁大型通用計算軟件Midas Civil建立，橋面主梁通過梁單元模擬，拱肋采用施工聯合截面分析，吊桿采用桁架單元模擬，建立空間數值模型，全橋共有337個節點、572個單元。有限元模型如下頁圖4所示。

4.2 拱肋吊裝過程受力分析

全橋拱肋共分為5個節段。拱肋吊裝采用豎向轉體提升施工，在主跨中心處安設豎轉塔架，通過梁頂部預埋

鋼板進行固定，中間預留充足的空間用以運輸拱肋與橫撐。塔架用塔吊與吊車協作共同安裝，每一節段拼裝完成后安裝壓塔索和纜風繩，然后張拉至設計要求，轉變為穩定結構，而后在塔頂安裝千斤頂、卷揚機等轉體所需設備。

拱肋吊裝施工過程中，模擬其施工時主要節段的受力狀態，選擇有代表性的拱肋受力工況進行研究：

工況1：吊裝節段1和節段5;

工況2：吊裝節段2和節段4;

工況3：拱肋合龍;

工況4：拱肋混凝土澆筑完成;

工況5：吊桿張拉完成;

工況6：二期鋪裝完成。

各工況作用下拱肋最大應力見表3。限于篇幅，僅展示工況1、4、5、6下的應力云圖，見圖5～8。

由表3及圖5～8可知，在吊裝合龍前拱肋應力值均較小，在混凝土澆筑完成后拱肋拉應力達到最大，最大拉應力出現在上弦管，其值為41.6 MPa，遠低于鋼材屈服應力，此時拱肋最大壓應力值為50.6 MPa。在吊桿安裝完成后，拱肋由拉壓應力交替變化轉為全截面受壓，最大壓應力出現在上弦管，其值為95.6 MPa，亦低于拱肋的屈服強度。

4.3 成橋階段拱肋關鍵截面應力分析

施工方法的選擇直接影響拱肋成橋后的應力狀態，拱肋關鍵截面的應力值能夠直觀反映當前階段結構的受力情況及材料的安全儲備。啞鈴型鋼管混凝土拱肋主要受力結構包括三部分：上下弦管、管內自密實混凝土（C50）、綴板內自密實混凝土（C50）。成橋后各結構整體應力位置點如圖9所示。各關鍵截面節點應力分布如表4所示。

由表4可知，成橋階段拱肋鋼管最大應力出現在上弦管L/8截面位置，該位置最大壓應力值為136.8 MPa，低于鋼材的屈服強度;下弦管最大應力位于拱腳處，該位置最大壓應力值為112.2 MPa，亦低于鋼材的屈服強度。上下弦管內澆混凝土最大應力位于拱腳截面位置，最大壓應力值為6.9 MPa，小于混凝土設計抗壓強度;綴板混凝土最大應力出現在L/8截面位置，該位置最大壓應力值為3.7 MPa，均符合設計要求。由此可見，成橋后拱肋各部位均處于受壓狀態，且壓應力值均較小，成橋受力狀態良好。

5 結語

（1）啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋采用豎轉法吊裝施工，可縮短工期、節省造價。

（2）二期恒載鋪裝完成后，拱腳部位混凝土局部拉應力較大，原因是混凝土和鋼管拱肋結合部出現應力集中現象;拱肋鋼管拉壓應力均小于設計規定。

（3）拱肋吊裝施工過程中，在吊桿張拉前，拱肋處于拉壓應力并存的受力狀態，最大拉應力位于上弦管，其值為41.6 MPa;在完成吊桿張拉后，拱肋轉為全截面受壓狀態，最大壓應力出現在上弦管，其值為95.6 MPa，均低于鋼材屈服強度。

（4）成橋后拱肋各部位均處于受壓狀態，且壓應力值均較小，成橋受力狀態良好。

參考文獻：

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]盛圣勝.大跨鋼管拱原位拼裝施工技術的研究與應用[J].中國建筑科技，2018（2）：102-105.

[3]李 平.鋼管拱豎轉安裝施工技術[J].建筑工程技術與設計，2017（11）：115-117.