钢管混凝土系杆拱桥整体吊装有限元分析

朱红亮，崔凤坤，何　磊，徐　岳

（1.常州市航道管理处，江苏 常州 213004；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）



钢管混凝土系杆拱桥整体吊装有限元分析

朱红亮1，崔凤坤2，何磊2，徐岳2

（1.常州市航道管理处，江苏 常州 213004；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

摘要：为准确掌握钢管混凝土系杆拱桥整体吊装过程中的受力状况，文章基于空间有限元理论，对某下承式钢管混凝土系杆拱桥整体吊装过程中的受力及稳定性进行了分析。结果表明，该结构受力合理，但拱肋吊点位置处受力较不利，应采取一定的构造措施。

关键词：钢管混凝土系杆拱桥；整体吊装；有限元分析；建模方法

钢管混凝土系杆拱桥具有造型优美、施工方便、承载能力高和抗震性能好等诸多优势，在我国公路桥梁建设中得到了广泛应用。当钢管混凝土系杆拱桥跨越既有高等级航道时，施工中长时间封锁交通不仅影响航道通行，同时也造成了大量的经济损失。为了降低桥梁施工对航运的影响，双拱肋-系杆劲性骨架整体吊装施工应运而生［1］。

与传统单片拱肋吊装工法相比，双拱肋-系杆劲性骨架整体吊装工法将所有钢构件一次吊装就位，整体化吊装程度更高，极大地简化了钢管混凝土系杆拱桥的施工工序，进一步缩短施工周期。然而，双拱肋-系杆劲性骨架属于三维空间结构，吊装过程中结构受力复杂，内力和线形变化规律不宜掌握，故常采用有限元手段对钢管混凝土系杆拱桥的整体吊装过程进行数值模拟［2-3］。但在建模过程中，复杂的结构特性导致建模中细微的差别，会对施工阶段和成桥后的内力、线形计算结果产生较大影响。因此，有必要对钢管混凝土系杆拱桥整体吊装模型的合理建模方法进行探究，以便准确地揭示钢管混凝土系杆拱桥整体吊装结构的力学规律，保证整体吊装过程的安全性。

1　工程概况

某下承式钢管混凝土系杆拱桥计算跨径为96 m，计算矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线，主桥立面布置如图1所示。系梁采用箱形截面，梁高2.0 m，宽1.2 m，拱脚处加宽至1.4 m，加高至3.3 m，内部设有劲性骨架；拱肋采用哑铃型钢管混凝土，每个钢管外径1.0 m，钢管及腹板壁厚14 mm，钢管内充C40微膨胀混凝土，腹腔中不填充混凝土，拱肋高度为2.4 m。每片拱设间距为5.0 m的吊杆16根，吊杆为刚性吊杆，采用PESFD7-61新型低应力防腐拉索；风撑采用5道一字形钢管风撑，2道K字形风撑，钢管壁厚为14 mm。端横梁高度为2.0 m，中横梁高度为1.35 m，宽0.6 m，两侧设牛腿以支撑行车道板；行车道板采用25 cm高实心板。桥梁横截面及系杆构造分别如图2、图3所示。

图1　主桥立面示意图

图2　桥梁横断面构造（单位：cm）

图3　系杆构造（单位：mm）

2　施工方案

该桥位于京杭大运河枢纽位置，航运十分繁忙。为了尽可能降低桥梁施工对通航的影响，主桥采用双拱肋-系杆劲性骨架整体吊装工法施工，整体吊装结构在岸边拼装就位后通过2艘浮吊船吊装就位，半幅桥的起吊重量为437.7 t，整体吊装结构如图4所示。

图4　双拱肋-系杆劲性骨架整体吊装结构

由图4可知，整体吊装结构通常由2片拱肋、风撑、吊杆钢套管、系杆劲性骨架和临时横梁组成。为了减少工人空中作业量，在结构拼装过程中，同时进行系杆钢筋绑扎、系杆预应力波纹管、内芯模及底模的安装。在吊装开始前，需要对双拱肋-系杆劲性骨架整体吊装结构进行全面检测，检查结构尺寸及焊接质量是否满足要求。

双拱肋-系杆劲性骨架整体吊装主要工序如下［4］：

（1）试吊。在正式起吊之前，整体吊装结构应至少进行3次试吊，每次试吊步骤为：吊离地面20 cm，静置20 min，详细监测校核结构变形、焊缝完整性、钢丝绳及浮吊船的技术状况。

（2）起吊、运输。试吊过程中各项检查指标合格后可进行正式起吊。起吊时，浮吊船主桅杆吊臂角度应控制在55°~65°，通过吊钩缓慢提升整体吊装结构。浮吊船的航行速度不应超过5 km/h，以免惯性过大不便调整船体。

（3）安装就位。当浮吊船行驶至桥位指定位置时，指挥浮吊船抛锚减速，停泊稳定后匀速降落整体吊装结构，就位后立即焊接支座和临时钢支撑，再将4个方向的风缆绳全部安装就位，用手拉葫芦收紧风缆绳后方可松开吊钩。

3　有限元建模

3.1单元选择及结构离散

建立整体吊装空间有限元模型时，吊杆钢套管和吊装用钢丝绳采用桁架单元，拱肋、风撑、系杆和临时横梁采用梁单元。结构离散时，先划分各杆件交点，然后划分边界约束点，最后划分中心截面节点，同时将较长的单元适当分割为多个单元，以提高计算精度。整体吊装施工阶段有限元模型建立节点375个，桁架单元32个，梁单元499个。32个桁架单元为钢套管吊杆单元；499个梁单元包括8个临时横梁单元、8个吊装钢丝绳单元、36个风撑单元、76个拱肋单元、168个系杆单元和203个临时横向联系单元，结构有限元模型如图5所示。

图5　整体吊装阶段结构离散模型

3.2边界条件

整体吊装时，通过起吊钢丝绳对拱肋结构进行竖向约束，浮吊挂钩点即为整体起吊点。整体吊装时约束起吊点的X、Y和Z方向的平动和转动，释放钢丝绳与拱肋连接处的三向转动，系杆与吊杆铰接、系杆与临时横梁之间的约束采用弹性连接中的刚性化处理。整体吊装阶段边界条件如图5所示，约束方式见表1、表2和表3。

3.3作用荷载

在整体吊装过程中，所有荷载的动载系数均取1.1，本阶段激活的荷载有：（1)结构自重；（2)系杆加劲构造荷载5.14 kN/m以及系杆临时荷载1.52 kN/m；（3)拱肋加劲构造荷载1.47 kN/m以及拱肋临时荷载0.15 kN/m。

表1　整体吊装阶段起吊点边界条件

表2　整体吊装阶段释放梁端约束

表3　整体吊装阶段临时横梁与系杆链接方式

4　计算结果及分析

4.1吊点位置及整体吊装变形

吊点位置对整体吊装结构的内力和线形有较大影响，文献［1］ 提出了结构变形向量二范数法确定整体吊装结构的合理吊点位置。选择钢管拱肋、系杆劲性骨架和吊杆钢套管为主要构件，将主要构件关键截面位置处的变形组成变形向量，并进行二范数运算，数学表达式为：

式中：A为结构变形向量；xij为第i个构件j号位置的纵桥向位移；yij为第i个构件j号位置的横桥向位移；zij为第i个构件j号位置的竖向位移。

由式（1）可确定整体吊装结构的合理吊点位置。限于篇幅，本文仅对合理吊点位置下的结构力学特性进行研究。基于第3节的建模方法及理论，通过有限元计算可得，在整体吊装过程中，双拱肋-系杆劲性骨架结构的变形情况如图6所示。

由图6可知，在整体吊装过程中，结构整体变形比较均匀。其中，拱肋的最大挠度为52.2 mm，系杆的最大挠度为52.4 mm，均发生在L/8处，且小于设计规定的限值（L/800=120 mm），结构变形满足设计要求［5-6］。

图6　整体吊装阶段结构变形

4.2整体吊装内力

通过有限元分析，双拱肋-系杆劲性骨架结构在整体吊装阶段的轴力分布如图7所示。

图7　整体吊装阶段结构轴力图

由图7可知，在整体吊装过程中，各构件轴力分布比较均匀，其中拱肋、钢丝绳、临时横梁均处于受拉状态，吊杆钢套管和系杆均处于受压状态。轴向拉力的最大值位于钢丝绳上，为987 kN；轴向压力的最大值位于系杆上，为443 kN。

双拱肋-系杆劲性骨架结构在整体吊装阶段的弯矩分布如图8所示。

图8　整体吊装阶段结构弯矩图

由图8可知，在整体吊装过程中，空钢管拱肋所承受的弯矩远大于系杆劲性骨架、临时横梁及风撑等构件承受的弯矩。结构最大负弯矩发生在靠近拱顶的吊点位置，为1 263 kN·m；结构最大正弯矩发生在L/8拱肋处，为1 222 kN·m。分析表明，上侧吊点受力相对不利，考虑到吊点构造也是结构的薄弱环节，为提高吊点处拱肋的刚度，防止局部变形与破坏发生［7］，在吊点拱肋处设置加劲钢板，吊点处加劲构造如图9所示。

图9　吊点处拱肋加劲构造（单位：mm）

4.3整体吊装稳定性

双拱肋-系杆劲性骨架结构为复杂的空间结构，在一些情况下有可能发生整体失稳破坏，因此应对其空间稳定性进行研究［8］。通过有限元计算，结构在整体吊装阶段的一阶失稳模态为面外失稳，如图10所示。

将钢管拱及劲性骨架系杆以及临时结构的自重（已考虑1.1倍的放大系数）作为可变荷载，由图10可知，此时钢管拱及劲性骨架的一阶失稳模态为面外失稳，稳定安全系数为31.88，大于设计限定值4.0，表明结构吊装阶段整体稳定性满足要求。

图10　整体吊装阶段结构一阶失稳模态

双拱肋-系杆劲性骨架结构在整体吊装过程中，系杆构件处于压弯状态，因此应对系杆构件比较突出的面内稳定性进行验算。根据《钢结构设计规范》，对系杆构件在弯矩作用平面内的稳定性进行验算，计算可知σ=65.82 MPa＜［σ］=200 MPa，表明在整体吊装过程中，系杆构件的面内性稳定性满足规范要求。

5　结语

本文基于空间有限元理论，研究了双拱肋-系杆劲性骨架结构整体吊装阶段的建模方法，明确了建模时结构的单元选择、荷载和边界条件的处理方法，并对某下承式钢管混凝土系杆拱桥整体吊装过程中的静力及稳定特性进行了研究。计算分析结果表明：在整体吊装过程中，双拱肋-系杆劲性骨架结构整体受力比较合理，具有较高的安全储备，但拱肋吊点位置处受力相对不利，应采取一定的构造措施，以防止结构发生局部破坏。

参考文献

［1］崔凤坤，徐岳，董峰辉．钢管混凝土系杆拱桥整体吊装工法［1］吊点研究［J］．武汉理工大学学报，2015（2）：384-392.

［2］范剑峰．大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程中的仿真分［1］析［D］．武汉：武汉理工大学，2002.

［3］李世清，黄传胜，徐剑中．钢管混凝土拱桥整体吊装法施工［1］的静力分析及稳定性研究［J］．世界桥梁，2005（3）：56-59.

［4］王雪能，刘为．大跨钢管系杆拱桥半跨骨架拼装成形整体［1］吊装施工方法［J］．交通科技，2014（8）：16-18.

［5］张治成．大跨度钢管混凝土拱桥施工控制研究［D］．浙江：［1］浙江大学，2004.

［6］姚昌荣，李亚东．钢管混凝土拱桥线型控制技术研究［J］．［1］公路交通科技，2006（10）：55-58.

［7］罗业凤，殷朗，韩玉．钢管混凝土系杆拱桥稳定性分析［J］．［1］公路交通技术，2013（5）：67-70.

［8］孙晓红．钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算［D］.福［1］州：福州大学，2004.

Finite Element Analysis for CFST Tied-arch Bridge with Integral Hoisting

Zhu Hongliang1， Cui Fengkun2， He Lei2， Xu Yue2
（1. Changzhou Channel Management Agency， Changzhou 213004， China；2. Highway School， Chang'an University， Xi'an 710064， China）

Abstract:In this paper， the stress and stability of a CFST tied arch bridge in the process of integral hoisting are analyzed based on spatial finite element theory to understand it's stress station accurately. Results show that the structure stress is in reasonable state， but there is unreasonable stress in arch rib and some constructure measures should be taken.

Key words:CFST tied-arc bridge； integral hoisting； finite element analysis； modeling method

中图分类号：U448.22+5

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0047–03

收稿日期：（2016-05-05）

作者简介：朱红亮（1963-），男，江苏常州人，高级工程师，主要从事公路桥梁和高速公路的施工管理工作。