山区高大跨连拱支架设计与研究

2016-01-06王建金

交通科技 2015年1期

关键词：贝雷梁拱圈异形

赵　阳　王建金

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

山区高大跨连拱支架设计与研究

赵阳王建金

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要依托一座6跨连续的上承式拱桥，阐述了主拱圈的支架设计过程，并进行了相关的分析研究。针对工程特点，支架体系采用钢拱架下接钢管柱的结构形式。为保证主拱圈浇注的质量以及施工过程的安全，文中采用大型通用有限元软件Midas Civil对支架进行了有限元仿真模拟，分析了在相应荷载下支架的应力、变形及稳定性，以利结构的安全设计。

关键词上承式拱桥支架有限元安全设计

贵州省由于地形地貌以高原山地为主，山体岩层坚硬，且桥梁以跨越深谷或水道为主,故贵州省常见的桥型为拱桥。支架法施工浇筑主拱圈常采用满堂支架形式，对于高大跨的多跨连续拱桥而言，需要采用特殊的支架形式。本文针对这类高大跨拱桥，提出了相应支架结构形式，并采用有限元仿真分析方法研究了这类支架结构的受力特性。

1连拱结构特点及支架布置

1.1连拱总体布置

该桥结构形式为槽壳、排架、主拱圈的组合上承式拱桥结构，渡槽主槽为C30混凝土简支U形槽壳；支撑于C25钢筋混凝土排架柱上，排架则直接坐落于拱圈上，最高达到28 m；主拱圈单跨108 m，矢高为27 m，采用6跨连续布置，主拱圈顶离地面高达67 m，拱圈截面采用双箱式箱梁。桥型布置见图1。

图1　青年队渡槽连拱总体布置图(单位:cm)

渡槽连拱拱圈施工方案对有支架法与无支架法进行了相应的比选。由于青年队渡槽为连拱渡槽，采用预制吊装时，最大分块重量相对较大，这要求中间塔架的刚度、强度十分高，且施工控制的难度较大，具有一定的工程风险，因此最终采用有支架法施工[1]。

采用支架法施工该连拱有2点难度：①主拱圈顶距离地面高度太高，最高处达到64 m，必须设计特殊的支架结构来满足强度、刚度，尤其是结构稳定性的要求；②该拱桥为6跨连续，为避免连拱效应必须6跨满布支架并同步进行浇筑，这对支架结构的要求将更加严格，同时必须优化结构以降低工程造价。

1.2支架形式的确定

青年队渡槽主拱圈截面为双箱型截面，箱宽6 m，箱高2.2 m，顶、底板厚度为30 cm，3道腹板厚度均为40 cm。箱型主拱圈重量相对于现浇施工而言难度不大，但是主拱圈距离地面高度过高，若采用普通钢管立柱上接贝雷梁的支架现浇结构形式，结构的屈曲稳定性要大打折扣。

因此，本工程选择了钢拱架形式的支架体系，利用现有的拱座，搭设好的钢拱架结构在竖向荷载作用下，拱脚将产生水平推力，减小主拱圈的截面弯矩，从而大大地增加了跨越能力[2]。但由于钢拱架矢跨比较小，拱架跨中必须设置一些竖向支撑以满足受力要求，故最终的结构形式为钢拱架下接钢管柱的支架形式，其布置图见图2。

图2　支架结构布置图(一跨)

如图2所示，支架的组成从下至上为：C30混凝土基础；横桥向5根、纵桥向2根直径×壁厚∏630 mm×8 mm钢管，采用L80×10角钢焊接成格构柱的形式；横桥向的分配梁采用2根焊接的I32a型工字钢；贝雷拱架横向由14片贝雷组成，贝雷横向用L50×5角钢标准花架连接，纵向由8×14片异形块相连，拱脚处由异形块连接贝雷拱架和拱座；100 mm×100 mm方木。其中格构柱结构纵向之间利用3根直径×壁厚=350 mm×6 mm钢管连接，以增强格构柱的屈曲稳定性，横向布置见图3。

图3　支架结构横向布置图

2支架结构三维有限元模型

由于支架结构为空间的杆系单元组成，本文采用大型通用有限元软件Midas Civil进行支架结构的仿真分析，全支架结构采用杆系有限元进行模拟。

2.1荷载说明

支架体系荷载包括3个方面：

(1) 永久荷载标准值，包括作用在模板支架上的主拱圈结构荷载、组成模板支架结构的杆系自重、配件自重，以FGK表示。

(2) 可变荷载标准值，包括人群、混凝土振捣FQK。

(3) 静力风荷载标准值FWK。

本文进行支架强度时的荷载设计值，取其标准值乘以相应的分项系数：永久荷载的分项系数，取1.2；可变荷载的分项系数，取1.4；风荷载取1.0。即

(1)

2.2边界条件

边界条件的各杆件耦合自由度问题，作如下安排。

(1) 钢管柱底部的6个方向的自由度全约束。

(2) 约束钢管柱顶部与分配工字钢的六向自由度。

(3) 约束分配工字钢与贝雷梁底部接触节点的三向线位移自由度。

(4) 约束贝雷梁顶部接触节点与分配方木的三向线位移自由度。

2.3模型建立

根据现场地质条件来看，整个地区地质较好，岩体完整，且本工程中钢管立柱下设置混凝土基础，使得各立柱底座发生的位移偏差十分小，对整个支架系统而言，引起的附加内力较小可忽略，因此模型中所有立柱底座采用刚性约束。

哈尔滨工业大学刘宗仁教授[3]为此提出一种概念，既旋转扣件连接而成的扣件式支架系统，各杆件的连接处处于“半刚性”的状态，且螺栓松紧程度影响了其整体稳定性。实际工程里，受到施工中各种条件的约束，且高空焊接作业较为困难，许多连接件的焊接并未按照理想状态进行。例如分配工字钢与贝雷梁底部接触节点的侧向线位移由于焊接条件有限，笔者认为施加其连接的边界条件时，需通过MidasCivil中弹性连接来施加，X，Y向刚度给定一个较小值10kN/mm，竖向刚度取无穷大109kN/mm。

模型根据直接结构体系实际的空间布置，由于支架体系较高，考虑到静力风荷载，本文选取距离拱顶最高(高达67m)第三跨作为最不利的模型进行有限元计算分析，模型建立见图4。

图4　支架结构有限元模型图

3支架结构计算结果与分析

支架结构的验算分为3个部分，结构强度验算以确保体系的安全；结构刚度验算，确保主拱圈的浇注时不会因为模板变形大而出现裂缝等病害；结构稳定性验算，确保结构在荷载作用下处于某种平衡状态，以保证支架结构的安全。

3.1支架结构强度

通过有限元分析计算处理，得出各杆件的应力值见表1。

表1　支架结构各杆件应力值

根据文献[4]规定Q345A强度设计值(f=295MPa)，Q235A强度设计值(f=205MPa)。

钢拱架包括贝雷梁与异形块，其材料采用Q345钢，其中整个支架体系中钢拱架的异形块受力最大，达到其强度设计值的87.3%；钢拱架下方各钢构件均采用Q235钢，直径630mm钢管受力为该类钢中受力最大构件，达到Q235A钢强度设计值的48.8%。

由此可知，在加工钢拱架时必须严格控制焊接、拼接质量，精确控制吊装过程，确保钢拱架的强度达到要求。

3.2支架结构刚度

模板变形过大将影响上部结构的线性，还将引起浇注不均匀，从而形成裂缝，降低主拱圈的承载能力。

根据文献[5]中规定，挠度不得超过模板构件跨度的1/400，其中摸板承力构件为贝雷梁，且其竖向位移见图5，最大值为12.85mm，小于其跨度的1/400，贝雷梁的跨度L=15m，所以L/400为37.5mm>12.85mm，刚度满足规范要求。

图5　支架模板承力构件变形

3.3支架结构稳定性

结构轴向承受压力时，如果荷载在临界载荷以内，给结构一个横向力来干扰，结构就会发生一定的挠曲变形，但是，撤销这个横向力时，结构将回到初始的平衡状态，此时结构杆件处于稳定的弹性平衡状态。若轴向荷载大于临界载荷，结构的应力刚化产生的应力刚度矩阵就会抵消结构本身的刚度矩阵，这时结构施加一个很小的横向力就会产生一定的挠曲变形，而且在撤销这个横向力后结构不能恢复到原有的平衡状态，这就是结构失稳理论。

对于支架结构这类庞大的钢结构体系，必须通过屈曲分析，本文采用有限元建模进行了相应的稳定性分析，其三阶屈曲分析临界荷载失稳特性值分别为4.014，4.032，4.393，均大于4，其中第一阶屈曲模态图见图6。