大跨懸澆混凝土拱橋拱上建筑施工方案比選分析

中圖分類號：U448.22文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.041

文章編號：1673-4874（2025）01-0138-04

0 引言

鋼筋混凝土拱橋具有結構剛度大，維護成本低以及抗風能力強等優點，被廣泛應用在山區峽谷等地質條件好的地方，在大跨度鐵路和公路橋梁中具有很強的競爭力[1-4。近年來，隨著纜索吊裝、懸臂施工的工藝以及理論研究越來越成熟，懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋也逐漸向著超大跨徑邁進。在主拱圈合龍后，拱上建筑作為上承式拱橋的重要組成部分，不同的施工方案會影響結構的應力、位移及穩定性[5]。因此，需要找到合理的方法快速地確定較優的拱上建筑施工方案，從而改善結構的受力情況。

近年來有部分學者開展了一系列拱上建筑施工順序優化的研究。王發正等利用MidasCivil有限元分析程序對某大跨度CFST拱橋的4種拱上建筑施工方案進行對比分析，最終利用位移和應力以及兩者變化幅度最小的原則確立了較優的施工方案。李玉忠等[]結合原有施工方案的分析結果，通過反復推演，確定了優化后的拱上建筑施工順序，解決了原有方案的設計缺陷。李獻等對比分析6種拱上建筑施工順序下各控制截面的應力和位移，最后確定了對主拱圈受力和變形影響較小的施工方案。

上述學者大多是從方案的結果出發，分析不同方案下結構的應力、位移和穩定性，存在一定的主觀性，沒有從理論的角度出發找到合理的施工方案，這一過程較為繁瑣且增加了一定的工作量。鑒于此，本文基于優化理論依托某一工程實例，設置不同的拱上建筑施工方案，通過MidasCivil有限元分析程序得到不同施工方案下的分析數據，引入結構優化原理計算出較優的方案，使方案更為系統、合理，并且減小計算的工作量，以提高效率，也為后續的研究提供參考。

1優化原理和目標函數

結構的優化設計指的是符合安全使用的前提下，在滿足結構的強度、剛度和穩定性等力學性能要求的所有可行性方案中，根據最初的設計目標找到較為理想的施工可行性方案[9]。

為此，本文為快速合理地確定拱上建筑較優的施工方案，以施工過程中拱圈混凝土某截面應力的標準差最小化為目標函數。該目標函數從受力角度出發評判結構在施工過程中其應力變化的離散程度。

目標函數：

2 工程背景

某主橋為一座計算跨徑為335m的上承式鋼筋混凝土懸臂澆筑拱橋，矢跨比為 1/4.2 ，拱軸系數為1.8。主拱圈采用等截面懸鏈線無鉸拱，左、右兩幅均是兩個采用C80混凝土的單箱單室結構拱肋，兩拱肋之間利用橫隔板進行連接。左、右幅拱圈的拱上立柱均采用雙柱墩，其中各立柱在橫橋向采用等寬為 ，立柱墩頂縱橋向采用等寬為 。立柱 縱橋向采用80：1 的比例向墩底變寬，立柱 縱橋向采用等寬為1.6m。主橋橋面系采用 11×31.75 ）m的預應力混凝土簡支T梁，其橋位布置如圖1所示。

3拱上建筑施工方案

依據拱上立柱的高度以及橋面系的布置形式，拱上立柱和主梁的編號如圖1所示。拱上立柱施工采用一種方案（見圖2），即先施工完成立柱Z5和施工立柱Z1豎向高度4.5m；然后施工立柱Z1豎向高度18.0m和施工立柱Z2豎向高度4.5m；其次施工立柱Z1豎向高度27. 2m 、立柱Z2豎向高度18. 立柱Z3和立柱Z4；最后施工完成立柱Z1和立柱Z2，至此施工完成所有的拱上立柱。

橋面系采用5種不同的施工方案（見表1）。如圖3所示，方案1為邊跨往中跨依次進行架設；如圖4所示，方案2為中跨往邊跨依次進行架設；如圖5所示，方案3為 L/4 跨往邊中跨同時進行架設；如圖6所示，方案4為邊跨往中跨依次隔一跨進行架設；如圖7所示，方案5為中跨往邊跨依次隔一跨進行架設。

4 有限元分析模型

采用有限元分析程序MidasCivil建立方案1～方案5的模型。其中，拱圈、橫隔板、拱上立柱、蓋梁和橋面主梁均采用梁單元模擬，拱上立柱的支座墊石采用集中荷載進行模擬，拱圈和拱上立柱、拱上立柱和蓋梁之間均采用剛性連接，交界墩墩底和主拱圈拱腳處均采用一般連接中的固結。考慮施工過程中混凝土的收縮徐變，在程序中依據現行規范設置拱圈混凝土和拱上建筑混凝土的收縮徐變，并利用CEB－FIP（2010）模型定義混凝土的強度發展曲線，模擬隨著時間的增長混凝土強度的變化情況。全橋的有限元分析模型如圖8所示，共有3314個節點、3602個單元。

限于篇幅，選取拱圈中具有代表性的5個控制截面，即拱腳截面、L/8截面、L/4截面、3L/8截面、拱頂截面，對比分析5種不同方案在施工過程中各控制截面的應力、變形和穩定性。

5 結果分析

5.1應力計算結果分析

不同的拱上建筑施工方案在施工時會使結構產生不同的瞬時應力和最終應力。根據有限元分析的數據，提取5個控制截面的應力，如圖9所示（圖中正負號規定為：壓應力為負，拉應力為正）。

由圖9可知，不同施工方案下各控制截面的最大瞬時應力大多發生在施工過程中，其中拱腳截面最大的瞬時壓應力為 ，為方案1的CS3階段； L/8 截面最大的瞬時壓應力為 ，為方案1的CS3；L /4截面最大的瞬時壓應力為 ，為方案1的 截面最大的瞬時壓應力為 ，為方案4的CS5；拱頂截面最大的瞬時壓應力為 為方案1的CS4。不難看出，最大的瞬時壓應力基本發生在方案1中，在實際施工過程中應關注各截面的應力變化情況，確保應力處于規范規定的范圍內。

此外，在施工完成后，各施工方案拱腳截面的最終壓應力在 L/8 截面的最終壓應力在

L/4 截面的最終壓應力在 14.2MPa ；3L/8截面的最終壓應力在 ；拱頂截面的最終壓應力在 0各截面應力差值均在2MPa以內。在施工過程中，各控制截面無論是瞬時壓應力還是最終壓應力，均滿足規范規定的C80混凝土抗壓強度設計值 34.6MPa 。針對主拱圈混凝土采用上述任一施工方案，在施工完成后最小還具有55. 2% 的壓應力儲備。

5.2位移計算結果分析

不同施工方案下主拱圈各控制截面的豎向位移如圖10所示（圖中正負號規定為：產生向下的變形為負，產生向上的變形為正）。

從圖10可以看出，各施工方案下的拱圈各控制截面的位移變化趨勢并不是相同的。施工過程中各方案的位移均發生了1～6cm不同程度的突變，其中 gt;5 cm的位移突變發生在方案1、方案3和方案4的拱圈拱頂截面施工過程中，這種驟然變化容易造成主拱圈混凝土拉應力超限，發生開裂現象，對結構安全極為不利。此外，由圖10可知，除方案2之外，其他方案的某個或多個控制截面在施工中發生了位移反向。因此，需要嚴格控制主梁的架設順序，保證結構在施工過程中不會發生位移方向反向的情況，即不會發生由開始產生向下或向上的位移到后面產生向上或向下的位移。

5.3施工階段穩定性結果分析

各施工方案在施工過程中的屈曲穩定系數計算結果如圖11所示。

在施工完成后，最小的穩定系數為方案5的8.7，最大的穩定系數為方案2的9.07，各方案在施工過程中的屈曲穩定系數均滿足規范要求的 gt;4 。由圖11可知，方案3和方案5在施工過程中結構的穩定系數發生了突變的現象，這說明在施工某一跨主梁時對結構的擾動較大，不利于結構安全，容易造成結構發生失穩破壞。而方案1、方案2和方案4在施工過程中結構的穩定系數變化均勻，說明其施工順序是較為合理的，可以抵抗外在荷載且不易發生失穩破壞。

6 目標函數求解

通過對5種施工方案的應力和穩定性進行分析，其結果均滿足約束條件，因此將各個施工方案的控制截面應力計算結果代入式（1）中計算其目標函數值，結果見表2。

由表2的計算結果可知，在施工過程中方案2的各控制截面目標函數值均最小，說明方案2各截面的應力離散程度最小，其應力變化也較為均勻，因此方案2為5種施工方案中較理想的施工方案。

7結語

本文依托某上承式懸臂澆筑混凝土拱橋，建立了5種拱上建筑施工方案，通過有限元數值仿真對5種施工方案下主拱圈各控制截面的應力、位移和穩定性進行分析，并基于優化理論對滿足約束條件的施工方案進行目標函數求解。結果表明：

（1）5種拱上建筑的施工方案在施工過程中主拱圈控制截面的瞬時壓應力和最終壓應力均滿足C80混凝土抗壓強度設計值 ，且在采用任一方案的情況下，最終施工完成后主拱圈混凝土最小還具有55. 2% 的壓應力儲備。

（2）各方案在施工過程中其控制截面的位移變化趨勢并不類似且均發生了不同程度的突變。此外，除了方案2，其他施工方案均存在某個或多個控制截面在施工過程中發生位移反向的情況。

（3）所有的施工方案無論是在施工過程中還是施工結束后，其結構的屈曲穩定系數均gt;4。部分施工方案的穩定系數在施工過程中有突變的現象，這對結構較為不利，容易造成結構失穩破壞。

（4）建立的5種拱上建筑施工方案均滿足約束條件，利用建立的目標函數方程進行計算分析，得到方案2在施工過程中各控制截面的目標函數值均最小，因此確定方案2為較理想的施工方案。

參考文獻

[1]陳寶春，張夢嬌，劉君平，等.我國混凝土拱橋應用現狀與展望[J].福州大學學報（自然科學版），2021，49（5）：716－726

[2]陳寶春，何福云，李聰，等.美蘭法與美蘭拱橋技術發展綜述[J].交通運輸工程學報，2022，22（6）：1-24.

[3]陳寶春，劉君平.世界拱橋建設與技術發展綜述[J].交通運輸工程學報，2020，20（1）：27-41.

[4]趙人達，張正陽.我國鋼管混凝土勁性骨架拱橋發展綜述[J]橋梁建設，2016，46（6）：45-50.

[5]王建軍.上承式鋼管拱橋拱上建筑施工技術研究[J].施工技術，2018，47（S4）：773-777.

[6]王發正，張馨.大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工順序優化[J」.山東交通學院學報，2024，32（2）：67-73

[7李玉忠，靳再菁，梁玲玉，等.大跨徑鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工優化研究[J].河北建筑工程學院學報，2019，37（2）：30-33.64.

[8]李獻，孫欽剛，姚偉.大跨度拱式渡槽拱上建筑加載順序的研究[J].交通科技，2017（4）：83-85.

[9魏勇.大跨CFST勁性骨架拱橋外包混凝土施工過程穩定研究及優化設計[D].南寧：廣西大學，2022

[10]公交一公局集團有限公司.公路橋涵施工技術規范：JTG/T3650—2020[S]北京：人民交通出版社股份有限公司，2020：270-271.