基于有限元模型的大跨度剛架系桿鋼箱拱橋對稱施工分析

王國銘,楊雨厚

(1.廣西壯族自治區藤縣公路養護中心,廣西 梧州 543399;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

拱橋因外形美觀、受力合理等特點,成為大跨度橋梁的主要形式之一,其中系桿鋼箱拱橋應用廣泛[1]。然而,由于系桿鋼箱拱橋復雜的結構和較高的技術要求,在施工過程中存在著一定的風險。因此,為了確保施工安全和質量,對大跨度剛架系桿鋼箱拱橋進行施工分析與評價研究具有重要意義[2]。

有限元模型是一種基于數值計算的分析方法,可以對結構進行力學性能分析和變形預測[3]。在大跨度剛架系桿鋼箱拱橋的施工中,有限元模型可以用來確定橋梁在不同施工階段下的應力、變形等參數,以及檢驗各個節點的承載能力是否符合設計要求[4]。大跨度剛架系桿鋼箱拱橋的施工需要考慮到其特殊的施工方式和結構特點,在施工過程中需要對各個節點的變形情況進行實時監測,并采取相應的調整措施,以確保橋梁的穩定性。針對各個構件的受力情況,需要進行承載能力分析和評估,以確保橋梁在使用過程中的安全性。

綜上所述,大跨度剛架系桿鋼箱拱橋對稱施工是一項復雜而嚴謹的工作[5]。通過有限元模型等數值計算方法,可以對橋梁的各項參數進行精確分析,并保障該類結構在施工及使用過程中的安全可靠性。本文以廣西某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋為例,采用Midas Civil軟件進行對稱施工模擬,分析橋梁施工和成橋階段的主要參數。

1 工程概況

1.1 工程實例

廣西某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋,凈跨徑為120.0 m,凈矢跨比為1/4.44,主拱拱肋共分9個施工節段。為保證拱橋的整體穩定,在兩片拱肋間共設置了5道橫撐,橫撐采用鋼箱結構,箱體內設置縱向加勁肋與橫隔板。采用整束擠壓成型鋼絞線吊桿,全橋共設14對吊桿。采用全防腐型整束可換可調高強度低松弛鋼絞線成品拉索并用鋼保護蓋進行防護。橋面系采用鋼格構體系,橋面鋪裝采用7 cm瀝青混凝土,主墩為實體墩/承臺+樁基礎的形式。施工前清理現場并進行引橋以及主橋的樁基、承臺、主墩和拱肋拱座施工,然后采用分段拱肋安裝的方法施工拱肋與橫撐直至主拱合龍。在對稱拆除支撐支架系統的同時,張拉序號為N2、N3、N10和N11的系桿,其張拉控制力為1 400 kN,最后有序張拉序號為N4～N11的拱肋吊桿及序號為N5、N8、N13和N16、N1～N3和N12～N14的拱肋吊桿及N6、N7、N14和N15系桿。施工人行道、瀝青混凝土橋面面層及防撞墻、欄桿等附屬設施。最后對稱張拉N2～N8號系桿(控制力為2 200 kN)、N10～N16號系桿(控制力為2 250 kN),全橋施工完畢,準備通車,如圖1所示。

1.2 全橋施工有限元模型

采用有限元模擬某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋的施工。通過Midas Civil 軟件進行各施工階段的模擬計算,包括應力和線形。有限元模擬計算結果將作為施工過程各階段線形和應力控制的基礎。

如下頁圖2所示為某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋拼裝至竣工的關鍵施工階段結構示意圖。該橋有限元模型的主要材料參數如表1所示。拱肋、橫撐、格構梁采用Q355C鋼材,鋼橋面板采用Q235C鋼材,主墩、橋面板、人行道板、檢修道板混凝土采用C40混凝土,承臺混凝土與拱座混凝土分別采用C35與C50混凝土,吊桿與系桿采用φs15.24。永久荷載需要考慮鋼筋和混凝土容重,其取值見表1。瀝青橋面鋪裝、防撞護欄、欄桿、系桿箱等結構作為荷載考慮,橋面鋪裝荷載為0.07×24=1.68 kN/m2,防撞護欄荷載按梁單元荷載施加(取值9.5 kN/m),人行道板及欄桿荷載按壓力荷載施加(取值6.0 kN/m2),檢修道板按壓力荷載施加(取值10.0 kN/m2)。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)考慮混凝土收縮徐變作用。系桿分兩次張拉,首次張拉控制力均為1 400 kN,二次張拉時N2～N8號系桿張拉控制力為2 200 kN,N10～N16號系桿張拉控制力為2 250 kN。對于可變荷載而言,主要考慮汽車荷載(公路-Ⅰ級)、人群荷載(2.65 kN/m2)、系統溫度荷載以及溫度梯度荷載。

表1 有限元模型主要材料參數取值表

圖2 某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋施工過程圖

2 橋梁施工階段有限元計算分析

2.1 施工階段應力分析

通過有限元模型計算,大跨度剛架系桿鋼箱拱橋上部結構(包括主拱和橫撐)施工階段應力驗算結果見圖3,以判斷橋梁的應力狀態。圖3(a)、圖3(b)分別為主拱和橫撐施工階段的最大拉/壓應力,其應力值呈對稱分布,主拱及橫撐施工階段最大拉應力為15.1 MPa,最大壓應力為74.6 MPa,均小于規范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足規范要求。

(a)最大拉應力

基于有限元模型,本文得到大跨度剛架系桿鋼箱拱橋主橋格構梁施工階段應力驗算結果匯總于圖4。由圖4可以看出,主格構梁施工階段最大拉應力為11.9 MPa,最大壓應力為81.5 MPa,均小于規范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足規范要求。

(a)最大拉應力

2.2 施工階段位移分析

由于施工階段工況較多,主橋主拱和格構梁的位移分析僅選擇二次張拉系桿施工階段。基于有限元模型進行計算分析,可得到主拱及格構梁施工階段累計位移結果,如圖5所示。由圖5可以看出,主橋主拱和格構梁的累計位移呈對稱分布,跨中主拱和格構梁的累計位移最大。因此,在線形監測中有必要密切關注位移變化,加以糾正,并合理調整。

(a)主拱

3 橋梁成橋階段有限元計算分析

3.1 成橋時內力分析

基于橋梁竣工階段的有限元模型,大跨度剛架系桿鋼箱拱橋主拱及橫撐成橋內力、格構梁成橋內力以及吊桿成橋索力通過模擬計算得到并分別繪制于圖6～7。從圖6(a)可以看出,該橋建成后主拱彎矩呈對稱分布且變化相對均勻,最大彎矩出現在主拱和格構梁的連接處,橫撐處彎矩也較為均勻地對稱分布。圖6(b)表明,橋梁竣工后的軸向力整體處于壓縮狀態,且呈對稱分布,總體上,軸向力從主拱和格構梁的連接處向中間逐漸減小。在圖6(c)中,竣工橋梁的剪力也基本呈對稱分布。此外,根據圖7,該大跨度剛架系桿鋼箱拱橋施工完成后,格構梁的彎矩、軸向力、剪力總體來看呈對稱分布,內力的變化相對均勻,最大彎矩出現在格構梁的兩側。

(a)彎矩

(a)彎矩

3.2 主拱、橫撐及格構梁驗算分析

3.2.1 承載能力極限狀態驗算結果

主橋成橋時主拱及橫撐承載能力極限狀態驗算結果如圖8(a)、圖8(b)所示。可以看出,承載能力極限狀態基本組合下,主拱及橫撐頂面應力在-118.7～23.1 MPa,均小于規范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足要求。如圖8(c)、圖8(d)所示為主橋成橋時格構梁承載能力極限狀態驗算結果。承載能力極限狀態基本組合下,格構梁頂面應力在-149.2～140.8 MPa,均小于規范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足要求。

(a)主拱及橫撐頂面最大拉應力

3.2.2 正常使用極限狀態驗算結果

正常使用極限狀態荷載組合下,主橋成橋時主拱及橫撐與格構梁的驗算結果如圖9所示。由圖9(a)、圖9(b)可以看出,正常使用極限狀態荷載組合下,主拱及橫撐頂面應力為-53.7～3.2 MPa;圖9(c)、圖9(d)表明格構梁頂面應力為-118.1～107.9 MPa,均小于規范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足要求。

(a)主拱及橫撐頂面最大拉應力

3.3 吊桿與系桿驗算分析

主橋承載能力極限狀態下吊桿索力結果見圖10(a)。承載能力極限狀態下吊桿最大索力為2 189.4 kN。主橋所用吊桿規格為GJ15-27,破斷索力為7 020 kN,全橋吊桿最小安全系數為7 020/2 189.4=3.2>2.5,滿足《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》(JTG D6506-2015)5.8.1條鋼絞線吊桿持久狀態下安全系數≥2.5的要求。主橋承載能力極限狀態下系桿索力結果見圖10(b)。可以看出,承載能力極限狀態下系桿最大索力為2 991.2 kN。主橋所用系桿規格為GJ15-31,破斷索力為8 072.4 kN,全橋系桿最小安全系數為8 072.4/2 991.2=2.7>2.0,滿足規范中鋼絞線系桿持久狀態下安全系數≥2.0的要求。

(a)吊桿

4 結語

本文采用有限元方法對廣西某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋進行對稱施工分析。采用Midas Civil軟件計算系桿鋼箱拱橋在施工階段和成橋階段的變形和應力,可為大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋施工提供理論依據,用于指導實際施工。

(1)在施工階段,主拱及橫撐的最大拉/壓應力(15.1 MPa/74.6 MPa)呈對稱分布;格構梁最大拉/壓應力分別為11.9 MPa/81.5 MPa,均小于規范允許值245.5 MPa,滿足規范要求。主拱和格構梁的累計位移同樣呈對稱分布,且在跨中處累計位移最大。

(2)在成橋階段,主拱及橫撐成橋內力、格構梁成橋內力以及吊桿成橋索力的有限元模擬結果基本呈對稱分布且變化相對均勻。考慮承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下荷載組合,主拱、橫向支撐和格構梁的結構驗算結果滿足規范要求。

(3)吊桿和系桿在承載力極限狀態下的最大索力分別為2 189.4 kN和2 991.2 kN,對應的最小安全系數分別為3.2和2.7,大于規定值2.5和2.0。