西溪河特大跨度钢管混凝土拱桥转体施工控制

2015-12-17韦有波

铁道建筑 2015年12期

关键词：惯性力拱圈转体

韦有波

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)

西溪河特大跨度钢管混凝土拱桥转体施工控制

韦有波

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)

采用转体法施工的钢管混凝土拱桥，当拱圈在转动过程中突然停止时，拱圈将承受惯性力、自重和风荷载作用，可能产生较大变形，引起结构局部失稳，造成工程事故。以西溪河大桥转体施工过程中拱脚局部钢板屈曲为控制目标，通过理论推导和有限元分析，给出了风速、拱圈转速、扣索拉力和急停时间之间的关系表达式，提出西溪河大桥拱圈转体施工保守转速应当控制在0.01 rad/s以内。

拱桥转体法施工控制屈曲分析

钢管混凝土拱桥转体施工法的要旨是将拱圈分为两个半跨，分别在拱跨两侧利用地形和临时支架预拼装半拱，然后通过拱脚转动装置及相应动力牵引装置将两个半跨拱体逐步转动至设计拱轴线位置合龙成拱［1］。

目前，关于转体施工技术的研究不少。范应心［2］对黄柏河、下牢溪两座钢管混凝土拱桥转体施工进行了研究，对转体施工方案、施工布置、安全技术措施、施工误差等提出了要求;田仲初等［3］根据一阶最优化计算理论，构建了采用液压同步提升技术进行转体施工拱桥的优化有限元模型，将优化计算理论应用到拱桥液压同步提升转体施工控制中;孙全胜等［4］研究了斜拉桥平转施工过程中温度效应的影响，发现日照方位的变化会引起斜拉桥转体施工产生不对称偏移，使转盘中心处产生不平衡力矩，引起结构发生倾斜;车晓军等［5］研究了转体施工桥梁大吨位球铰径向应力，提出了一种优化计算方法，并结合工程实测数据进行对比分析，从理论上确保球铰设计合理可靠;晏敬东等［6］对高墩转体T构施工控制技术进行了研究，提出了转体施工过程中的控制标准和方法。

然而在拱圈旋转施工中，拱圈转动的速度是最主要的控制因素，它们影响着转体施工的安全和转体质量。同时由于在转体过程中需要将拱圈分为两个半跨，此时拱圈相当于悬臂梁结构，拱圈的横向刚度较差，当拱圈在转动过程中突然停止时，拱圈会承受惯性力、自重和风荷载作用;这些荷载的方向和大小不同，其合力作用方向也会产生变化，当合力作用方向的拱圈抗弯刚度较小时，拱圈可能会产生较大变形或结构钢板局部失稳，对结构产生不利影响。关于钢管混凝土拱圈稳定性研究目前主要有:詹豪等［7］研究了钢箱梁和混凝土薄壁箱梁受压翼缘的稳定问题，基于状态—空间向量法，给出了一种计算方法，该方法可以用于弹性支承连续矩形薄板弹性屈曲分析;李亮等［8］为了研究核心筒支撑作用对屈曲模态和屈曲临界荷载的影响，建立了钢—混凝土混合结构体系简化力学模型，并在大量有限元分析的基础上，研究了钢—混凝土混合结构体系中框架和支撑两部分之间的相对强弱关系对屈曲模态的影响。

有鉴于此，本文结合新建铁路成都至贵阳线乐山至贵阳段西溪河特大桥，对其转体施工过程中拱圈的受力进行研究，提出转体控制速度的限值。

图1 西溪河大桥立面

1 工程概况

西溪河大桥主桥为上承式X形钢管混凝土提篮拱桥，跨距为240 m，如图1所示。拱圈是由2条拱肋和横向联结系构成，拱肋横向内倾7.5°，拱趾处横桥向中心间距23.192 m，拱顶拱肋中心间距8.71 m，主拱在其倾斜平面内拱轴线为悬链线，拱轴系数m=2.2，矢跨比约1/4.364。拱肋高5.7 m，宽3.0 m，每肋由4肢φ 1 100 mm×20 mm钢管构成，其上下弦是由2肢钢管与2块20 mm厚的钢板联结成哑铃形，并且沿拱肋全长采用等截面(图2);从拱趾处向拱肋两端各约53.0 m范围内的上下弦之间是由2块16 mm厚的钢板联结，使拱肋断面形成箱形结构。拱肋的中部其上、下弦之间通过H形腹杆(H600 mm×500 mm× 20 mm×20 mm)连接形成拱式桁架。

图2 拱脚处横断面(单位:mm)

2条拱肋之间其上、下弦采用φ800 mm×20 mm (平联直管)以及φ600 mm×16 mm(平联斜管)钢管组成的多道Ж字形的平联联结;上、下弦平联之间采用φ450 mm×16 mm(竖管)钢管斜向联结，以此组成拱肋横向联结系。

2 板的屈曲理论分析［9］

拱圈在转体过程突然停止时，在惯性力和风荷载作用下，靠近拱脚处会产生较大的平面外弯矩，使拱肋上两肢钢管间的腹板处于受压状态，如图3所示［9］。当压应力σx逐渐增加到一定数值即翘曲临界应力时，平板就会开始翘曲。板的翘曲挠度用ω表示。

图3 矩形薄板的挠曲

板翘曲以后，板中面的挠曲方程式可以表达为

式中:D为板的单位宽度的抗弯刚度，D=Et3/［12× (1-v3)］;v为泊松比;t为板的厚度。

方程式(1)的解可以写成双重三角级数

式中:m=1，2，3，…，n=1，2，3，…，分别表示在x和y方向板挠曲的半波数目;Cmn为待定常数。

式(2)能够满足固定板的边界条件，即在x=0，x=a和y=0，y=b处，板支点上的挠度和转角满足边界条件。将式(2)代入式(1)中，可以得到以下方程

由此可得板的挠曲临界应力

为了得到最小的临界应力，显然应有n=1，这就是说，在y方向板挠曲成一个半波。至于m的具体值，则须视板长比α=a/b而定。

将上式进一步简化，则有

式中，k为板的挠曲系数，k=(m/α+α/m)2。

相关研究可知，对于两边(y向)固结的板，其翘曲系数k=6.97，y向挠曲半波长l0=0.67b。则此时板的挠曲临界应力为

3 风速与拱肋转速关系方程

由力学知识可知，应力和外力的关系为

1)轴力N的计算

单支拱肋受力示意如图4。

图4 单支拱肋受力示意

对半拱单支拱肋进行受力分析，在计算单支拱肋轴力时，忽略拱肋之间的横向联系引起的拱肋轴力。可以知道单支拱肋轴力

因此

式中:θ为拱肋轴线平面内拱脚与水平方向夹角;φ为拱肋轴线与竖直平面的倾角;gx为拱肋自重集度。详见图5、图6。

图5 单支拱肋侧视

图6 拱肋轴线立面

2)弯矩M的计算

由于拱圈在旋转施工过程中突然停止时，拱圈所受荷载为风荷载、自重和惯性力荷载。在荷载作用下，拱脚根部会产生两个方向的弯矩My和Mz

式中:Fi为拱圈第i部分构件所承受的风荷载;li为拱圈第i部分的长度;l为拱圈跨径;ftx为拱圈转体施工过程中拱圈惯性力集度;Fs为拉索拉力;h为拱肋拉索锚固点到拱脚处竖向距离。

根据《公路桥涵设计通用规范》［10］规定可以知道，拱圈所受风荷载可以采用下式计算。

式中:k0为设计风速重现期换算系数;k1为风载阻力系数;k2为考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数;k3为地形地理条件系数;k5为阵风风速系数;g为重力加速度;Wd为设计基准风压;Awh为横向迎风面积;V10为桥梁所在地区的设计基本风速;Vd为高度Z处的设计基本风速，Z为距离地面或水面的高度;γ为空气重力密度，γ=0.012 017e-0.0001Z。

根据冲量定理，可以得到拱圈惯性力集度ftx。