V型刚构连续梁组合拱桥拱肋混凝土灌注顺序仿真分析研究

樊燕燕 ，李子奇

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070)

0 引言

钢管混凝土拱桥具有强度高、自重轻、跨越能力强、工期短以及造型美观等优点，因此在桥梁建设中得到广泛应用。V型刚构连续梁桥与同等跨度的常规连续梁相比，具有计算跨径小、有效降低梁体截面高度、减轻主梁自重荷载、大幅度减小桥墩处梁体的负弯矩和跨中正弯矩等优点，并且V型刚构桥的V型支撑可使桥梁具有优美的外观。因此，V型刚构连续梁桥成为城市桥梁和景观桥梁建设较受欢迎的桥型之一。

V型刚构连续梁组合拱桥是一种新型桥梁结构形式，它融合了钢管混凝土拱桥和V型刚构桥在造型、受力等方面的优点。V型刚构连续梁组合拱桥在造型上具有流线形线条、活泼和富有动感的特点,而且景观效果良好,在结构上同时具有梁桥和拱桥的特点。这种梁拱组合结构形式，有效地提高了桥梁的跨越能力，已成为目前比较流行的一种桥型[1]。

V型刚构连续梁组合拱桥的拱结构采用钢管混凝土系杆拱，其上部结构由吊杆、预应力混凝土连续梁和钢管混凝土主拱肋三部分组成。结构所承受的恒载和活载一部分由V型刚构连续梁预应力混凝土主梁承担，一部分通过主梁上的吊杆传递给主拱肋。主拱肋的水平推力又可以由预应力混凝土主梁内预应力来平衡，形成自平衡体系[2]。

V型刚构连续梁组合拱桥的拱结构施工顺序为[3，4]：（1）在支架体系上施工 V 型刚构支撑和预应力混凝土连续梁，并埋设钢管拱拱脚；（2）在预应力混凝土连续梁施工完成后在梁上搭设拱肋台架，并拼装焊接钢管拱肋；（3）对拱肋混凝土进行顶升灌注；（4）安装、张拉吊杆；（5）拆除支架，成桥。

拱肋混凝土进行顶升灌注施工，其施工工序有两种设计思路：（1）当拱肋拼装焊接完成后，先灌注混凝土，当钢管内的混凝土达到一定强度后，再拆除拱肋台架；（2）当拱肋拼装焊接完成后，先拆除拱肋台架，再灌注混凝土。这两种设计思路各有优缺点。本文以60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构拱肋混凝土顶升灌注为例，通过上述两种顶升灌注施工顺序进行仿真模拟分析，主要目的是研究两种拱肋混凝土顶升灌注对V型刚构连续梁组合拱桥主拱肋应力和变形的影响。

1 工程概况

年楚河特大桥主桥上部结构采用60m+148m+60 m V形刚构加拱组合结构[5]。拱肋采用1.8次抛物线，计算跨度为134 m，矢高为39.3 m，矢跨比为1/3.4，拱肋横向间距为7.6 m，拱肋截面为变高度哑铃型。两榀拱肋间共设置7道横撑，其中拱顶处一道横撑为l字形，其余6道横撑为K字形，横撑均为空钢管组成的桁架结构。

2 计算模型

采用MIDAS Civil桥梁两种拱肋混凝土顶升灌注顺序进行模拟计算[6，7]。工况1：先灌注混凝土，当钢管内的混凝土达到一定强度后，再拆除拱肋台架；工况2：先拆除拱肋台架，再灌注混凝土。工况1混凝土顶升灌注在拱肋台架上完成，拆除拱肋台架时，拱肋的钢管和钢管内混凝土协同受力，共同提供拱肋结构抗弯刚度和受压面积，采用钢混联合截面方式进行模拟。工况2混凝土顶升灌注过程中拱肋没有台架支撑，混凝土灌注过程中，混凝土没有强度，也无法提供抗弯刚度和抗压截面，拱肋钢管随着混凝土灌注不断变形，此时拱肋结构的刚度全部由钢管来承担，采用在拱肋上施加混凝土均布荷载的形式模拟。因此，不同的混凝土顶升灌注顺序会对拱肋的受力和变形产生不同的影响。主梁、拱离散为梁单元，吊杆离散为只受拉杆单元，主梁的支架采用只受压的杆单元模拟；V构和主梁采用刚性连接。年楚河特大桥主桥拱肋混凝土顶升灌注有限元模型如图1、图2所示。

图2 工况2有限元模型

3 仿真计算结果分析

3.1 拱肋变形

楚河特大桥主桥60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构桥不同的拱肋混凝土顶升灌注顺序对钢拱肋变形的影响如图3、图4和表1所示。

图3 工况1拱肋变形曲线

图4 工况2拱肋变形曲线

表1 工况1和工况2拱肋竖向变形值

3.2 拱肋应力

楚河特大桥主桥60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构桥不同的拱肋混凝土顶升灌注顺序对钢拱肋应力的影响如图5、图6和表2所示。

图5 工况1拱肋应力曲线

图6 工况2拱肋应力曲线

表2 工况1和工况2拱肋应力值

由表1和表2以及图4～图6可知，工况1和工况2拱肋变形和应力的影响对比如图7和图8所示。

图7 工况1和工况2拱肋竖向变形对比图

图8 工况1和工况2拱肋竖向变形对比图

4 结论

由上述的数值模拟计算分析结果可知，拱肋混凝土顶升灌注施工过程，工况1施工顺序拱肋最大竖向变形为4.4 mm,拱肋最大应力为-18.2 MPa；工况2施工顺序拱肋最大竖向变形为12.4 mm,拱肋最大应力为-65.7 MPa。工况1施工顺序拱肋的竖向变形和拱肋应力都小于工况2施工顺序。所以，综合考虑上述拱肋竖向变形和拱肋应力来看，工况1在拱肋台架上顶升灌注混凝土后再拆除拱肋台架的施工顺序更有利于钢拱肋受力和变形的控制。

[1]刘兆丰.V型刚构组合拱桥的梁格分析[J].科学技术与工程,2012,12(31)：8465-8468.

[2]尹明.钢管混凝土系杆拱桥吊杆施工张拉力计算 [J].公路工程,2010,35(2)：101-103.

[3]杨小森,闫维明，等.大跨度钢管混凝土拱桥拱肋混凝土灌注顺序优化[J].公路交通科技,2010,27(1)：67-83.

[4]张丽萍.大跨度系杆拱桥拱肋混凝土灌注方法[J].中国市政工程,2006(5)：40-42.

[5]肖艳斌.V型刚构连续梁组合拱桥施工过程结构受力分析[J].城市道桥与防洪,2013(10)：69-71.

[6]尹浩辉,吴滨生.丫髻沙大桥主拱拱肋钢管混凝土的灌注与线形控制[J].桥梁建设,2000(4)：49-51.

[7]李松,强士中,唐英.混凝土灌注阶段钢管混凝土拱肋的时变行为研究[J].铁道标准设计,2007(1)：58-61.