简支系杆拱桥施工过程分析

陈　锁

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)

Procedure Analysis of the Simply Supported Bowstring Arch Bridge Construction

CHEN Suo

简支系杆拱桥施工过程分析

陈锁

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

Procedure Analysis of the Simply Supported Bowstring Arch Bridge Construction

CHEN Suo

摘要以沈丹客运专线跨度113.3 m简支系杆拱桥为工程实例，采用MIDAS软件对施工过程进行模拟，给出施工过程中有限元模型的建立方法，对该系杆拱桥施工过程中的应力、挠度及稳定性进行验算。结果表明：系杆拱桥在施工过程中结构体系不断变化，整体刚度不断增强；由于钢管混凝土拱肋为组合截面，混凝土收缩徐变对钢管应力和桥梁整体的变形影响较大，应选择合理的收缩徐变计算模式；浇筑管内混凝土时，支架反力最大，是控制支架结构设计的施工阶段。

关键词系杆拱桥施工过程MIDAS应力变形稳定性

以沈阳至丹东新建客运专线工程系杆拱桥为例，通过MIDAS软件对其施工过程建立有限元模型，对钢管混凝土简支系杆拱桥施工过程的应力、变形和稳定性进行分析。

1工程概况

该工程为新建沈阳至丹东客运专线工程工点桥梁，上部结构为1-113.3 m钢管混凝土简支拱，拱桥平面为直线，纵断面位于i=-4.3‰的纵坡上。梁全长116 m，计算跨度为113.3 m，拱肋面内矢跨比为f/L=1∶5，拱肋立面投影矢高22.38 m，拱肋采用二次抛物线，在横桥向内倾8°，呈提篮式样。

拱肋横断面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高3.0 m，钢管直径为1.2 m。拱肋之间设三道一字撑和四道K撑。

系杆采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，跨中结构高3.05 m，端部结构高3.05 m，断面图构造及尺寸见图1。

图1　梁部断面(单位：mm)

系杆采用C50混凝土，拱肋中灌注C50补偿收缩混凝土；系杆纵向预应力采用公称直径15.2 mm低松弛钢绞线；拱肋钢管、横撑及吊杆的上下锚箱均采用Q345qE钢材，吊索采用PES(FD)7-127成品索。混凝土、钢材及钢绞线等材料的设计抗压(拉)强度、弹性模量等基本力学性能及参数均按相关规范取值。

设计行车速度目标值为250 km/h，Ⅲ型板式无砟轨道，净高7.25 m，基本风压值750 kPa，在整体结构分析中采用ZK活载加载计算。

2有限元模型

2.1　模型介绍

采用空间有限元程序MIDAS建立桥梁整体计算模型。系杆、拱肋及横撑的各杆件采用三维梁单元进行模拟，其截面特性按照实际设计截面定义。拱轴线为二次抛物线，拱肋采用哑铃形截面，钢管和腹腔内均填充混凝土，为等截面，拱高3.0 m，采用“双单元、共节点”的方法模拟钢管混凝土拱肋。吊索采用桁架单元模拟，仅考虑其轴向的拉伸刚度，梁单元整体模型如图2所示。

2.2　施工过程模拟

施工下部构造，搭建支架及临时墩，浇筑系杆A节段混凝土并张拉钢束，施工示意如图3。

图3　系杆A节段施工示意

本阶段的有限元模型分两个步骤：

①系杆A节段混凝土浇筑

此施工步骤中需激活系杆A节段单元，系杆支架底部固结，A节段纵横向限位，均采用一般支承，A节段与支架间采用弹性连接，施加的荷载为A节段结构自重，有限元模型见图4(a)。

②系杆A节段钢束张拉

此施工步骤中单元和边界条件不变，施加系杆A节段钢束的预加力。有限元模型见图4(b)。

图4　系杆A节段施工过程有限元模型

在支架上浇筑系杆B节段混凝土，主梁混凝土强度达到100%后，交错张拉B节段中横梁横向预应力钢束及纵梁预应力钢束。B节段施工示意如图5。

图5　系杆B节段施工示意

本阶段的有限元模型也分两个步骤：

①系杆B节段混凝土浇筑

此施工步骤需在步骤一的基础上激活系杆B节段单元，钝化A节段纵横向限位并激活B节段纵横向限位，均采用一般支承，B节段与支架间采用弹性连接，施加B节段的结构自重荷载。有限元模型见图6(a)。

②系杆B节段钢束张拉

此施工步骤单元和边界条件不变，施加了系杆B节段钢束的预加力。有限元模型见图6(b)。

图6　系杆B节段施工过程有限元模型

安装拱肋根部钢管，在支架上浇筑拱脚、系杆C节段混凝土，主梁混凝土强度达到100%后，交错张拉C节段端横梁及中横梁横向预应力及纵向预应力钢束。C节段施工示意如图7。

图7　C节段施工示意

本阶段的有限元模型分3个步骤：

①系杆C节段混凝土浇筑

此施工步骤需激活系杆C节段单元，钝化B节段约束并激活C节段纵横向限位，均采用一般支承，C节段与支架间采用弹性连接，施加C节段的结构自重荷载，有限元模型见图8(a)。

②系杆C节段钢束张拉

此施工步骤单元和边界条件不变，施加系杆C节段钢束的预加力，有限元模型见图8(b)。

③支座与拱脚的安装

此施工步骤中需激活拱脚混凝土单元，拱脚与主梁采用弹性连接，施加拱脚钢束预加力，有限元模型见图8(c)。

图8　系杆C节段施工过程有限元模型

在桥上搭设支架，将拱肋各分段吊装就位并焊接拱肋之间的横撑、斜撑及拱肋合龙段，之后泵送拱肋下管、上管内混凝土，均匀灌注拱肋腹板内混凝土，待拱内混凝土达到100%强度后，拆除拱肋支架。施工示意见图9。

图9　拱肋拼装

本阶段的有限元模型分三个步骤：

①拱肋钢管安装

此施工步骤需激活拱肋钢管节段及横撑、斜撑单元，施加拱肋支架支撑约束。有限元模型见图10(a)。

②灌注管内混凝土

此施工步骤需激活拱圈混凝土单元。有限元模型见图10(b)。

③拆除拱肋支架

施工步骤需钝化拱肋支架和拱脚支撑约束。有限元模型见图10(c)。

图10　拱肋施工过程有限元模型

在拱肋上方同时进行单端张拉对称的吊杆(即每次张拉四根)，之后拆除梁部支架。施工示意见图11。

图11　张拉吊杆施工过程有限元模型

本阶段的有限元模型分3个步骤：

①建立下吊点，张拉吊杆

此施工步骤首先需建立下吊点，连接下吊点和系杆，之后按顺序张拉吊杆，施加吊杆力。

②建立永久支墩

此施工步骤需激活拱桥永久支座，施加拱桥支座一般支承约束，并且使支座与系杆的刚性连接，同时钝化系杆C节段纵横向限位约束。

③拆除系杆支架

此施工步骤需钝化系杆支架及支座单元，解除系杆支架底部固结以及支架与系杆的弹性连接。

二期恒载以均布力的形式加载于主梁之上，按120～140 kN/m计算。此施工步骤单元及边界条件不变，施加二期荷载。

3施工过程应力检算

3.1　浇筑各节段混凝土

浇筑各节段的混凝土后，梁部上下缘最大拉压应力如表1所示。

表1 浇筑各节段混凝土后上下缘拉压应力A段B段C段上缘最大压应力/MPa0.180.871.66上缘最大拉应力/MPa0.000.000.00下缘最大压应力/MPa0.000.761.54上缘最大拉应力/MPa0.190.190.36

浇筑各节段混凝土后，支架最大反力如表2所示。

表2 浇筑各节段混凝土后支架最大反力A段B段C段支架最大反力/kN1733.21747.33411.4

3.2　张拉各节段的预应力钢束

张拉各节段预应力钢束，梁部上下缘最大及最小压应力如表3所示。

张拉各节段预应力钢束，支架最大反力如表4所示。

表3 张拉各节段的预应力钢束系杆上下缘压应力A段B段C段上缘最大压应力/MPa0.961.679.52上缘最小压应力/MPa0.760.780.00下缘最大压应力/MPa0.771.569.77上缘最小压应力/MPa0.570.590.00

表4浇筑各节段混凝土支架最大反力A段B段C段支架最大反力/kN1733.21747.33411.4

3. 3 其余各阶段

架设空钢管，浇注钢管内的混凝土，张拉吊杆，施加二期恒荷载，混凝土10年收缩徐变的影响，各施工阶段分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ来表示。

各过程中产生的应力如表5所示。

表5 施工过程各阶段不同截面的上下缘应力截面梁部混凝土拱肋钢管拱肋内混凝土σ/MPaⅠⅡⅢⅣⅤ上缘σ压max9.289.128.217.695.97上缘σ拉max0.000.000.000.000.00下缘σ压max9.629.569.269.699.37下缘σ拉max0.000.000.000.000.00上缘σ压max4.447.3635.2474.57102.48上缘σ压min0.602.4810.7251.7373.15下缘σ压max6.258.5147.1265.1188.16下缘σ压min0.472.3019.7132.1164.11上缘σ压max—0.525.4712.4911.08上缘σ压min—0.332.369.908.42下缘σ压max—0.417.0710.4710.45下缘σ压min—0.322.756.696.76

架设空钢管、浇筑钢管内混凝土，梁部支架的最大反力如表6所示。

表6 施工过程各阶段的梁部支架最大反力AB支架最大反力/kN8270.29715.6

由表1－6 可知:

①根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》第6. 4. 13 条，在运送及安装阶段，本桥施工阶段混凝土最大压应力0. 19 MPa≤0. 8fct= 2.48MPa，最大拉应力12. 49 MPa≤0. 8fc= 26. 8 MPa，施工阶段拱肋钢管最大压应力102. 48 MPa≤1. 30［σw］=260 MPa，均满足规范要求。

②在整个施工过程中，系杆混凝土上、下缘的最大压应力随施工进度逐渐减小，拱肋钢管及管内混凝土应力则逐渐增大，这是由于随着后期吊杆的张拉，系杆与拱肋逐渐形成整体，系杆有向拱肋卸载的趋势。

③由于钢管混凝土拱肋为组合截面，混凝土收缩徐变对拱肋上缘钢管应力影响较大，与不考虑收缩徐变时相比应力增大了37.4%，因此选择合理的收缩徐变计算模式至关重要。

④浇筑管内混凝土时，支架产生的反力最大，应以此阶段反力作为支架结构设计依据。

4施工阶段竖向挠度

系杆拱桥中拱肋与系杆的挠度有着相似的变化，施工过程中挠度最大值均发生在跨中，最小值发生在梁端部。

系杆落架前，经多次混凝土灌注，结构施工刚度加大，随荷载增加，但系杆挠度值变化不大。

吊杆张拉完成后，系杆与拱肋形成整体，拱顶挠度增幅较大。

拆除梁部支架是系杆产生挠度最大的阶段，此时需特别注意。

混凝土10年收缩徐变导致拱梁挠度均发生较大变化，收缩徐变对结构挠度的影响不容忽视。

5拱肋稳定分析

钢管混凝土拱桥主要易出现失稳的部位是拱，而从失稳空间形态上可分为面内失稳和面外失稳[6]。稳定性验算是为了防止出现面内失稳，横向稳定性验算是为了防止出现面外失稳，对于拱圈宽度小于跨径1/20的拱桥需进行横向稳定性验算。

5.1　拱肋面内的稳定性

拱肋面内的稳定性，按承受最大水平推力的中心受压杆件进行检算，此部分为手算。

本例中EI(拱肋)/EI(系杆)=9.1%>1/80，根据《铁路桥涵设计基本规范》5.2.12，视系杆为仅受轴向拉力的系杆，拱梁连接处为铰接。按照双铰拱(双铰系杆拱，且用竖直吊杆与拱肋连接)计算，查《铁路桥涵设计基本规范》表5.2.13：K=45.5×2=91。

拱的计算长度

式中L——拱的跨度;

f——拱的矢高;

K——按《铁路桥涵设计基本规范》表

5.2.13 采用。

拱肋换算截面的刚度为

EI=0.8×EcIc+EsIs=7.976 3×107kN·m2

则拱肋截面的临界轴压力

由计算结果可知：

①拱肋面内稳定安全系数计算值为372 085/38 602=9.64>5，满足规范要求。

②拱肋面内稳定主要是考虑承受最大水平推力的中心受压杆件，由面内稳定性计算结果可知，拱形结构能较好的满足结构的稳定性要求。

5.2　拱肋面外的稳定性

考虑的荷载：自重+二期+ZK活载(按两线加载，换算为均布荷载)。

屈曲模态一：稳定系数为11.52>5，见图12(a)

屈曲模态二:稳定系数为11.92>5，见图12(b)

屈曲模态三：稳定系数为14.74>5，见图12(c)。

屈曲模态四：稳定系数为15.48>5，见图12(d)。

图12　面外屈曲模态

屈曲模态五：稳定系数为18.97>5，见图12(e)。

由稳定系数可知，拱肋最容易发生面外侧倾，其次是面外对称侧倾，竖向及横向侧倾发生的概率相对较小。

6结论

采用MIDAS软件建立系杆拱桥施工阶段的有限元模型，对应力、变形及稳定性进行分析，结论如下：

①在施工过程的有限元模拟中，可通过结构组、荷载组和边界组的激活与钝化，实现结构的安装与拆除、荷载的加载与卸载以及边界条件的改变。

②在施工过程中结构体系随施工进度不断变化，系杆与拱肋逐渐形成整体，结构刚度不断增大，系杆有向拱肋卸载的趋势。

③由于钢管混凝土拱肋为组合截面，混凝土收缩徐变对钢管应力和桥梁整体的变形影响较大，选择合理的收缩徐变计算模式至关重要。

④浇筑管内混凝土时，支架反力最大，是控制支架结构设计的施工阶段。

⑤计算拱肋稳定性时，面外侧倾及面外反对称失稳较容易发生，设计时应以面外失稳作为拱肋验算的重要内容。

参考文献

[1]丁晓燕，刘凡.大跨度系杆拱桥施工过程中拱梁应力及变形的ANSYS分析[J].苏州科技学院学报，2011,24(2):43-50

[2]史玉.客运专线尼尔森体系提篮拱桥施工技术[J].铁道勘察，2008，34(5)：76-74

[3]罗业凤，殷朗，韩玉.钢管混凝土系杆拱桥稳定性分析[J].公路交通工具技术，2013(5):67-70

[4]徐升桥，任为东，刘春彦.新光大桥的设计与施工[J].铁道勘察，2007,33(z1) ：63-71

中图分类号:U448. 22+ 5

文献标识码:B

文章编号：1672-7479(2015)03-0130-05

作者简介：陈锁(1976—)，男，2010年毕业于北京交通大学桥梁专业，工程师。

收稿日期：2015-04-30