哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥施工过程受力研究
时间：2022-09-27 20:10:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
黄海珊 林本虎 梁高荣
【摘要：】文章以某高速公路哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥为工程依托，结合工期和经济性两方面确定了合理的施工方案，并采用数值模拟的方法对拱桥吊装施工过程的受力情况进行分析，通过建立拱脚局部模型及施工过程关键阶段、成桥阶段的数值模型，研究了拱桥施工过程中最不利受力工况的受力及成桥后的受力状态。结果表明：采用竖向转体吊装进行拱桥施工，具有良好的经济性，且拱脚受力合理，施工过程各关键阶段应力均低于设计规范，成桥状态结构受力良好。
【关键词：】系杆拱桥;方案;有限元;受力分析
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0 引言
拱式结构作为桥梁结构的一种基本型式，具有跨越能力大、外形美观、造价低等特点[1]。哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥作为拱桥的一种型式，拱肋水平推力依靠预应力系杆来平衡，可大大减少拱肋对基础的水平推力，具有极大的推广价值。但系杆拱桥的施工过程复杂，需要的施工设备繁多，在拱肋合龙前，已安装节段为悬臂结构，可靠性低;另一方面，系杆未张拉时，由自重、施工荷载等产生的水平推力主要依靠拱脚基础承受，因而要求拱腳基础具有一定的承载能力。因此，研究拱脚局部、悬臂吊装过程的受力情况及成桥受力状态，进而指导拱桥施工具有重要意义。
1 工程概况
某哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥上部结构采用下承式梁拱组合型式，主跨跨径为134 m，计算矢高为33.5 m，拱轴系数为2.0，计算矢拱度为1：4。拱肋上下两根钢管由钢板连接成等截面钢-混组合结构，拱肋截面高2.8 m，宽1.2 m，管内灌注填充C50自密实混凝土。成桥后的拱肋水平推力主要依靠纵梁预应力系杆承担。吊杆通过钢绞线整束挤压而成拉索体系，两端锚具安装有可适应变位和可调节长度的球形垫板和螺母，两吊杆之间间隔8 m。桥道系为双纵肋式，两肋横向距离为12.8 m。拱脚部位采用钢-混组合型式，截面变高，宽度为1.9 m。在全桥范围内每对吊杆位置的纵肋之间安设横隔板，桥面系两侧各设置一道140 cm厚的端横梁，桥面板厚度为28 cm。
2 施工方案比选
根据设计要求，提供两种施工方案如下：
方案一：采用依次对称吊装拱肋节段的方式，直至合龙段架设完成。各节段吊装工艺次序为[2]：起吊→对中→临时锚固→调节线形→定位焊接→调节线形→焊接合龙→无损检测。拱肋节段安装布置如图1所示。
方案二：采用竖向转体提升施工方法。在主跨中心处安设竖转塔架，塔架用塔吊与吊车协作安装完成。每一节段拼装完成后安装压塔索和缆风绳，然后张拉至设计要求，转变为稳定结构[3];而后在塔顶安装千斤顶、卷扬机等转体所需设备。钢管拱分段吊装根据设计文件采用两侧对称依次提升拱肋节段的方式，直至拱肋合龙。竖向转体施工方案设计见图2。
结合本工程实际施工情况，对两种施工方案的施工工期和经济性进行比选（见表1）。
由表1可知，方案二较方案一具有工期短、节约材料、经济合理的优点，故进行哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥吊装施工时，优先选择竖向转体的工艺方法。
哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥施工过程受力研究/黄海珊，林本虎，梁高荣
3 拱脚局部受力分析
拱脚作为拱桥受力的关键部位，承担着自重、预应力、活载等相关荷载，尤其在施工期间，拱桥的受力体系及受力状态不断改变，其应力及变位亦随之发生改变，受力复杂且量值较大。因此，选择有代表性的受力工况，建立局部实体模型研究拱脚应力分布，具有显著的工程意义。
3.1 模型建立
采用大型结构计算软件Midas FEA建立拱脚精细化数值模型，如图3所示，研究不同工况下拱脚的受力情况。建模时，忽略普通钢筋的作用，哑铃型主拱、管内混凝土、混凝土系梁运用实体单元模拟，并自动划分实体网格，共有23 360个节点、116 396个单元。本次分析忽略粘结滑移效应。
3.2 受力分析
通过全桥整体模型分析，选取施工过程中的关键施工工况模拟细部受力状况。选取以下四个最不利荷载工况：
（1）工况1：第1根和第15根吊杆张拉;
（2）工况2：跨中最后一根（第8根）吊杆张拉;
（3）工况3：吊杆张拉完毕拆除桥道梁满堂支架;
（4）工况4：二期恒载铺装。
各工况荷载作用下拱脚局部最大位移和应力有限元计算值如表2所示。
表2所列结果表明，各种最不利工况施工条件下，拱脚最大纵向位移为1.41 mm，最大竖向位移为0.74 mm;拱脚混凝土最大主拉应力和主压应力分别为2.42 MPa和-35.64 MPa;拱肋混凝土最大主拉应力及主压应力分别为1.75 MPa、-13.83 MPa，均出现在工况4。二期恒载铺装完成后，造成混凝土主拉应力过大的原因是混凝土和钢管拱肋结合部出现应力集中现象。拱肋钢管最大主拉应力及主压应力分别为21.36 MPa和-77.84 MPa，低于钢材的屈服强度，且具有丰富的应力储备。
4 施工阶段拱肋受力分析
4.1 有限元模型的建立
全桥数值模型采用桥梁大型通用计算软件Midas Civil建立，桥面主梁通过梁单元模拟，拱肋采用施工联合截面分析，吊杆采用桁架单元模拟，建立空间数值模型，全桥共有337个节点、572个单元。有限元模型如下页图4所示。
4.2 拱肋吊装过程受力分析
全桥拱肋共分为5个节段。拱肋吊装采用竖向转体提升施工，在主跨中心处安设竖转塔架，通过梁顶部预埋
钢板进行固定，中间预留充足的空间用以运输拱肋与横撑。塔架用塔吊与吊车协作共同安装，每一节段拼装完成后安装压塔索和缆风绳，然后张拉至设计要求，转变为稳定结构，而后在塔顶安装千斤顶、卷扬机等转体所需设备。
拱肋吊装施工过程中，模拟其施工时主要节段的受力状态，选择有代表性的拱肋受力工況进行研究：
工况1：吊装节段1和节段5;
工况2：吊装节段2和节段4;
工况3：拱肋合龙;
工况4：拱肋混凝土浇筑完成;
工况5：吊杆张拉完成;
工况6：二期铺装完成。
各工况作用下拱肋最大应力见表3。限于篇幅，仅展示工况1、4、5、6下的应力云图，见图5～8。
由表3及图5～8可知，在吊装合龙前拱肋应力值均较小，在混凝土浇筑完成后拱肋拉应力达到最大，最大拉应力出现在上弦管，其值为41.6 MPa，远低于钢材屈服应力，此时拱肋最大压应力值为50.6 MPa。在吊杆安装完成后，拱肋由拉压应力交替变化转为全截面受压，最大压应力出现在上弦管，其值为95.6 MPa，亦低于拱肋的屈服强度。
4.3 成桥阶段拱肋关键截面应力分析
施工方法的选择直接影响拱肋成桥后的应力状态，拱肋关键截面的应力值能够直观反映当前阶段结构的受力情况及材料的安全储备。哑铃型钢管混凝土拱肋主要受力结构包括三部分：上下弦管、管内自密实混凝土（C50）、缀板内自密实混凝土（C50）。成桥后各结构整体应力位置点如图9所示。各关键截面节点应力分布如表4所示。
由表4可知，成桥阶段拱肋钢管最大应力出现在上弦管L/8截面位置，该位置最大压应力值为136.8 MPa，低于钢材的屈服强度;下弦管最大应力位于拱脚处，该位置最大压应力值为112.2 MPa，亦低于钢材的屈服强度。上下弦管内浇混凝土最大应力位于拱脚截面位置，最大压应力值为6.9 MPa，小于混凝土设计抗压强度;缀板混凝土最大应力出现在L/8截面位置，该位置最大压应力值为3.7 MPa，均符合设计要求。由此可见，成桥后拱肋各部位均处于受压状态，且压应力值均较小，成桥受力状态良好。
5 结语
（1）哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥采用竖转法吊装施工，可缩短工期、节省造价。
（2）二期恒载铺装完成后，拱脚部位混凝土局部拉应力较大，原因是混凝土和钢管拱肋结合部出现应力集中现象;拱肋钢管拉压应力均小于设计规定。
（3）拱肋吊装施工过程中，在吊杆张拉前，拱肋处于拉压应力并存的受力状态，最大拉应力位于上弦管，其值为41.6 MPa;在完成吊杆张拉后，拱肋转为全截面受压状态，最大压应力出现在上弦管，其值为95.6 MPa，均低于钢材屈服强度。
（4）成桥后拱肋各部位均处于受压状态，且压应力值均较小，成桥受力状态良好。
参考文献：
[1]邵旭东.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2]盛圣胜.大跨钢管拱原位拼装施工技术的研究与应用[J].中国建筑科技，2018（2）：102-105.
[3]李 平.钢管拱竖转安装施工技术[J].建筑工程技术与设计，2017（11）：115-117.
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