新型三角刚构施工方法关键工序计算分析

周亭林，韦　伟，杨雨厚

(1.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007；2.广西壮族自治区罗城公路管理局，广西　河池　546400)



新型三角刚构施工方法关键工序计算分析

周亭林1，韦伟2，杨雨厚1

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007；2.广西壮族自治区罗城公路管理局，广西河池546400)

周亭林(1978—)，工程师，主要从事桥梁工程检测与研究工作；

韦伟(1986—)，主要从事公路养护、施工及建设管理工作；

杨雨厚(1983—)，工程师，博士研究生，主要从事桥梁工程研究工作。

摘要：文章以罗文大桥三角刚构为研究对象，基于结构有限元仿真计算分析，结合静力平衡法，对三角刚架斜腿由悬臂转化为刚构体系的关键施工工序进行了深入讨论，并对工程实测数据进行了分析。研究结果表明：三角刚构主梁分段浇筑，预应力分段张拉的施工工艺可行，施工阶段结构安全的关键是对拉杆预加力的合理确定。

关键词：静力平衡；三角刚架结构；有限元模型；应力；施工方法；关键工序

0引言

随着我国公路交通事业和城市建设迅速发展，相继修建了多座造型优美、结构合理、经济耐用的新颖结构型式桥梁。近年来，以大跨径组合体系桥梁设计、施工技术渐趋多样化发展，但目前尚未发现与“三角刚架-系杆拱梁组合桥”相类似的系统研究，因此开展研究该类型桥梁显得尤为重要。本文以广西南宁市罗文大桥为工程背景，重点研究三角刚架结构技术问题，对关键施工工序状况综合阐述，探索出更科学的计算分析优化模式，合理的基本理论分析为施工提供技术指导，使结构各阶段状态得到有效控制，确保成桥目标满足设计要求。

1背景工程

1.1　桥梁概述

南宁市罗文大桥跨越邕江，所处路线等级为城市主干路Ⅰ级。主桥长460 m，桥面全宽41.5 m，主桥为50 m+2×180 m+50 m海鸥式拱桥，主拱拱肋理论跨径180 m，全拱计算矢高50 m，折算矢跨比为1/3.462，主拱拱轴线采用二次抛物线。拱肋分别位于各自的竖直平面内，桥面上拱肋间无任何横向联系。拱肋的水平推力通过配置系杆平衡，从孔跨上属无推力双跨系杆拱桥，主体由三角刚架区段与主拱段两部分组成，三角刚架段采用混凝土结构，主拱段为钢结构，从受力上属于混凝土三角刚架与钢系杆拱组合桥梁。全桥共三个三角刚架段。主要技术标准：(1)设计荷载：公路-Ⅰ级；(2)桥面双向纵坡1.5%，横坡2.0%；桥梁立面图如图1所示。

1.2　三角刚构主体构造

三角刚架斜腿(拱肋)为主拱圈与副拱的延续，采用等宽变高的单箱单室截面。在桥面主梁以下拱肋宽度为4 m，在桥面以上至钢混结合段宽度为2.6 m，主梁段的拱肋完成4~2.6 m的宽度渐变。拱肋高度由顶端4.06 m渐变至拱脚5.5 m，拱箱高度按照二次抛物线变化。拱箱箱室在桥面以下壁厚1 m；在桥面以上壁厚为0.8 m。拱肋上下底板各设置4根25股钢绞线。

三角刚架段主梁采用双纵梁结构，纵梁中心间距为29.5 m，与拱肋中心间距一致。双纵梁为实心矩形截面，梁宽3.9 m、中心高3.205 m。主纵梁之间布设4道小纵梁与横梁一起支撑行车道板。主梁平均每隔3 m设置一道横梁。刚架段主梁与主跨钢主梁处设置下盘牛腿。主梁纵向预应力布设于主纵梁、小纵梁及桥道板内，横向预应力则分布于主纵梁间及顶板。

图1　罗文大桥主桥立面图(单位：cm)

2新型三角刚架施工工序

2.1　新颖结构体系

罗文大桥三角刚架-系杆拱体系为全新组合桥型，其结构受力及设计特点与其它桥梁有所不同：三角刚架段采用预应力钢筋混凝土结构。边跨设置了副拱，副拱与主拱及三角刚架形成的桁架体系有效改善了拱脚区段的受力，同时也使得该种体系受力更加复杂。三角刚架直接作为边跨，与主跨系杆共同为平行子结构作用。主梁不连续，即主梁在脚趾向跨中方向处断开，设置了牛腿并安装了伸缩装置，从荷载传递途径分析，因主梁的不连续V形刚构无法形成，并且拱与梁之间无法进行荷载分配。主梁采用底板开口的正交异形钢桥面板纵横梁格结构型式，最大限度地按结构的实际受力需要来设计各构件尺寸。

2.2　工艺技术

三角刚构斜腿按对称、平衡同步原则分节段进行作业，为防止斜腿根部截面施工阶段产生偏大局部应力或变形，斜腿间设置了足够强度和刚度的对拉杆进行扣拉固定与安装劲性骨架结合少支架临时支撑作为辅助施工系统。对拉杆自上至下分5层水平布置，上层采用d=15.2、标准强度1 860 MPa的钢绞线预应力钢束，其余4层对拉杆均为d=40 mm、标准强度785 MPa的精轧螺纹钢筋，背杠、钢带等施工临时设施则采用标准屈服强度为235 MPa的钢材。主梁按两节段施工，悬臂段纵向推进分层顺序浇筑，梁段间预应力筋采取连接器接长张拉。为抵抗主梁悬浇过程中产生的不平衡弯矩，对拉杆采取分阶段逐级施加有效预应力作为三角刚构关键施工工序，每阶段对斜腿根部应力进行监测，在适宜温度时使斜腿与主梁形成闭合三角刚构。

3关键工序计算分析

3.1　静力平衡法

三角刚构为静定结构，主梁浇筑阶段斜腿受力模型为悬臂梁状态，可以力矩平衡原理获得计算解析。设斜腿为直杆，计算各节段重心，主梁混凝土湿重按空间纵横向支架立柱传递，通过节点力的平衡法逐段推解，求出南侧、北侧斜腿产生的不平衡力矩，对两侧拱肋进行平均分配以达到理想弯矩。按总体分析计算，工作状态组合荷载作用的弯矩值见表1，由于江北侧斜腿立柱3力臂很小，不考虑计入。斜腿力学模型如图2所示。

表1　三角刚构总体分析计算表

图2　三角刚构斜腿简化力学模型图

为符合工程实际情况，使两侧拱肋在目标弯矩下达到平衡，实现斜腿根部不出现或处于允许范围内的拉应力，应充分考虑劲性骨架的刚度作用，并对对拉杆预先施加预应力。通过经验与浇筑悬臂梁前状态进行估算劲性骨架的刚度贡献，认为可承担斜腿混凝土重量的1/3，即分担弯矩21 708 kN/m。此外，应包括斜腿内预应力钢束的可平衡弯矩、三组对拉杆预加力弯矩贡献等因素，计算结果见表2~3。

表2　斜腿内预应力可平衡弯矩估算表

注：设计图纸斜腿预应力钢筋为8束。

表3　对拉杆预加力对弯矩贡献表

注：对拉杆组别自下至上编号，第1组力臂小，可忽略。

由以上关系确定三角刚架斜腿上层钢绞线需施加预应力，已知斜腿分担后弯距(150 469.64-21 708-42 966-32 400)kN/m=53 395.64 kN/m、力臂14.5 m，求得需施加力3 682.46 kN。

3.2　有限元分析模型

静力平衡法为简化力学基本理论，虽具概念清晰、计算简单且严密等优点，但难以实现三角刚构施工阶段中复杂问题，应引入有限元计算分析法进一步校核与验证。基本思路为：将所求得施加于钢绞线的预加力代入到有限元模型中，对斜腿根部应力综合分析，得出结论。根据三角刚架施工特点，采用桥梁专业软件midas/Civil 2010建立有限元模型整体分析计算，计算模型共离散为1 112个单元，包括桁架单元、梁单元、板单元等。其中斜腿拱肋、主梁及横梁均采用空间梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，临时设施中背杠采用空间梁单元，对拉杆采用桁架单元模拟。承台底采用桥梁博士3.0计算桩基础刚度矩阵，以一般弹性支撑施加于承台底节点，用来考虑下部边界条件。结构离散图如图3所示。主要材料参数由刚架段混凝土及预应力钢材两种材质特性值确定。荷载参数中取活载车道均布荷载10.5 kN/m、车道集中荷载取360 kN，二期恒载3.83 kN/mm2，混凝土收缩徐变作用考虑成桥后3 650 d的混凝土收缩徐变。

图3　结构离散图

按三角刚架段施工顺序、荷载条件及边界条件的变化，划分为19个施工阶段。每阶段混凝土湿重采用体积乘以重度的方法计算，施工荷载按13.77 kN/m列入。主要施工阶段边界条件为：(1)背杠间、拱座与背杠、拉杆与斜腿节段采用弹性连接中的刚接；(2)拱座与拉杆、斜腿节段与拱座采用刚性连接；(3)背杠短拉杆节点弹性支撑模拟；(4)背杠与斜腿间支撑用仅受压构件模拟；(5)激活支架体系与结构连接、副拱与主梁连接、主梁与交界墩支撑。荷载主要作以下处理：(1)将斜腿或主梁混凝土湿重与施工荷载按梁单元均布荷载施加；(2)考虑构件节段预应力荷载；(3)对拉杆预加力及施加强制位移等。另外在模型结构计算时采用取消横坡的截面，在输入预应力钢筋信息时，考虑到截面顶面横坡，预应力钢筋底板束导线点的边距只输入到截面下缘的相对高程值。

通过以上施工阶段有限元模型计算分析，在斜腿施加预加力为3 682.46 kN(钢绞线)+300 kN(对拉杆)组合条件下，得出斜腿根部的应力计算结果，归纳如下：江南与江北两侧斜腿在所有施工阶段中基本处于受压状态，其中在浇筑江北段主梁混凝土阶段，江南侧斜腿产生最大拉应力0.68 MPa，位于拱背位置；江北侧斜腿出现的最大拉应力则发生在施加强制位移时，最大拉应力为1.14 MPa，在拱背处。斜腿设计采用C50混凝土，相应抗拉强度为1.89 MPa，经与斜腿根部最大拉应力受力状态比较，构件不会出现裂缝现象。

4计算结果与实测数据对比分析

以静力平衡法与有限元分析计算法两者相结合优化指导三角刚构施工，围绕各个施工阶段情况，针对斜腿根部过程中应力监测数据，跟踪分析实测与理论数值的变化关系，及时修正不良影响因素，减少施工过程中产生的误差。限于篇幅，仅列举表4下游斜腿钢绞线及对拉杆施加力、主梁节段浇筑三个阶段监测对比值，截面应力对比图如图4~5所示。

图4　下游斜腿截面上缘应力对比图

工况位置实测应力(MPa)理论应力(MPa)应力差(MPa)钢绞线张拉+2#、3#、4#组对拉杆张拉江南左上-1.242-1.180-0.062右上-0.852-1.1800.328左下0.9100.8000.110右下0.6860.800-0.114江北左上-1.246-1.140-0.106右上-0.985-1.1400.155左下0.9730.8500.123右下0.7310.850-0.119主梁江南段浇筑完成江南左上0.8350.7400.095右上0.6900.740-0.050左下-1.677-1.8400.163右下-2.233-1.840-0.393江北左上-2.083-1.710-0.373右上-2.129-1.710-0.419左下0.8350.980-0.145右下1.1020.9800.122主梁江北段浇筑完成江南左上-0.397-0.310-0.087右上-0.374-0.310-0.064左下0.1840.1700.014右下0.1490.170-0.021江北左上1.7252.010-0.285右上1.6872.010-0.323左下-2.972-2.410-0.562右下-2.788-2.410-0.378

注：应力数据构件受压为“-”，受拉为“+”。

图5　下游斜腿截面下缘应力对比图

由表4及图4~5可知，构件实测应力变化趋势基本与理论曲线相符，未出现较大差异，基本受力均匀。斜腿截面上缘与下缘应力两曲线形成反弯曲线，即当上缘出现受拉时，下缘应出现受压状态，反之亦成立。构件实测受拉变化值基本略大于理论值，最大变化量达28%，而受压变化值中大于理论值的数量占总数的41.7%。说明斜腿钢绞线与对拉杆辅助张拉系统预加力略有不足，其应力总体处于稍低状态，但既有的小差

异不会对结构安全形成影响。斜腿根部最大拉应力为1.725 MPa，出现在浇筑主梁江北段阶段，小于C50混凝土的抗拉强度1.89 MPa，经外观检查，构件未发现裂缝等病害。实测与理论计算结果在实桥中得到了良好验证。

5结语

本文以三角刚构为研究对象，运用静力平衡法基本原理求解，根据设计与施工特点建立有限元计算模型分析，对施工控制方法提出可靠和实用性要求，通过每个环节优化，使得施工过程中结构体系内力合理分布，与总体计算分析思路相符，实现了安全的成桥状态，对施工、设计同类工程提供借鉴具有很好的指导意义。为取得更高计算精度期望，应对最不利、最有利与中值几种影响因素组合形式综合考虑验证。

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Calculation and Analysis of Key Processes for New Triangular Rigid Frame Construction Method

ZHOU Ting-lin1，WEI Wei2，YANG Yu-hou1

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Luocheng Highway Administration Bureau，Hechi，Guangxi，546400)

Abstract：With Luowen Bridge triangular rigid frame as the study object，based on structure finite element simulation calculation and analysis，and combined with static equilibrium method，this article discussed the key construction process of triangle frame inclined-leg transformed from the cantilever into rigid frame system，and analyzed the actual engineering measurement data.The research results showed that：the construc-tion process of triangle rigid frame main beam being poured by segments together with segment tensioning of prestress is feasible，and the key for structural safety at construction phase is the reasonable determina-tion of pulling-rod pre-applied force.

Keywords：Static balance； Triangular frame structure； Finite element model； Stress； Construction method； Key processes

收稿日期：2015-04-05

文章编号：1673-4874(2015)05-0041-04

中图分类号：U445.4

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.012

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