东海特大系杆拱桥拱圈支架拆除结构力学性能研究

2020-09-16周建军杜宪武邓宗仁杨玉平何楚韶刘运思

湖南交通科技 2020年3期

周建军，杜宪武，邓宗仁，杨玉平，何楚韶，刘运思

[1.中铁北京工程局集团(天津)工程有限公司，天津 300000；2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室，湖南湘潭 411201]

0 引言

近年来，因为钢管混凝土拱桥具有强度高、重量轻、耐疲劳、耐冲击等优点被大量应用于各类交通工程之中，其设计及施工技术得到了极大的发展[1-3]。斜拉扣挂悬臂拼接法在大跨度钢管混凝土拱桥拱肋架设中得了广泛应用，龚子松[4]运用数值模拟对此进行了研究，得到了合理的扣索索力和预抬高量；张振华[5]对拱桥线性的控制进行了研究，从多个方面描述了线型控制的原理、对象和方法，并经工程实践验证，效果良好；满堂支架法因其造价低、操作灵活、适应性强等特点，被广泛地用于拱桥的施工之中[6-7]。成桥后，施工支架的拆除是施工过程中的关键技术,对此，江红华[8]引入“中心开花，三步两循环”的支架拆除方案，成功地用于实际工程中；赵振华等[9]对不等跨混凝土连拱桥主拱圈支架拆除进行了研究。然而，目前对于下承式钢管混凝土拱桥拱圈支架拆除的研究还较为缺乏，优化拱圈支架拆除方案，使结构传力均匀、变形合理，成为亟待解决的问题。

本文以东海特大桥为例，建立有限元模型，分析了3种不同的支架拆除方案，通过对比拱圈各截面的应力和位移，确定了较为合理的支架拆除方案，对同类工程具有一定的参考意义。

1 工程概况

东海特大桥主桥布置为(39.55+168+39.55)m的3跨连续梁-系杆拱，全长248.7m(含两侧深端至边支座中心线各0.8 m)。本桥结构体系为刚性梁、刚性拱，吊杆间距8m，上、下拱肋计算跨度分别为170.1m和165.75m，设计矢高分别为45m和39m。两榀拱肋的横向间距为12m，中间共设9道横撑，其中拱顶为X型横撑，拱顶至拱脚设8道K型横撑，全桥共设18组吊杆。上、下钢管拱轴线均采用悬链线，系数分别为1.05、1.40。

1.1 拱圈支架

临时支架采用格构柱形式，由L1至L10共19组立柱钢管及其之间的连接系组成。利用φ325×8的钢管作为主肢，横向间距2460mm，纵向间距1500mm。支架顶部采用双拼45a工钢作为分配梁，钢管拱竖向力通过支垫与分配梁传递给格构柱，支架立面布置如图1所示。

图1 拱圈支架布置示意图

1.2 拱圈支架拆除方案

拱圈支架的拆除直接影响结构受力体系的转换，不同的拱圈支架拆除方案影响拱圈的应力与变形，3种支架拆除方案如表1所示。

表1 拱圈支架拆除方案方案拆除方式方案一第一步:拆L8、L9、L10;第二步:拆L4、L5、L6、L7;第三步:拆除L1、L2、L3。方案二第一步:拆L1、L2、L3;第二步:拆L4、L5、L6、L7;第三步:拆除L8、L9、L10方案三一次性全部拆除

2 桥梁模型构建

2.1 结构

本结构一共1248个单元，拱肋和梁采用梁单元类型建模，吊杆及K撑采用桁架单元类型建模。模型中共有5种材料类型：C55级混凝土、钢管混凝土组合材料、strand1860、wire1670以及Q345钢材。

2.2 边界条件

模型中共有2种边界条件：一般支承和弹性连接。梁底施工支架及拱圈支架均采用一般支承模拟，拱脚与拱肋、吊杆与系梁采用弹性连接。具体布置如图2所示。

2.3 施工阶段

模型共分为8个施工阶段，对于不同的拱圈支架拆除方案，在拆除拱肋支架的步骤中添加子步骤，具体项目及持续天数如表2所示。

a)弹性连接

b)一般支承

表2 施工阶段施工阶段持续天数/d梁段A110梁段A210梁段A310吊装拱肋支架20拆除拱肋支架10张拉吊杆10拆除主梁支架15收缩徐变1 000

2.4 计算参数

根据表3所示的材料计算参数，建立拱桥模型，见图3。

表3 材料计算参数材料弹性模量E/GPa泊松比μ容重/(kN·m-3 )线膨胀系数C55混凝土35.50.225.00.000 010Q345钢材206.00.378.50.000 012钢绞线195.00.378.50.000 012吊杆205.00.378.50.000 012

图3 拱桥模型

3 结果与分析

为分析支架拆除过程中拱圈的受力情况和变形情况，从模型中选取5个控制点，如图4所示。为防止拆除过程中产生偏心荷载，采用对称拆除的方式，故只需提取半幅拱桥数据即可。表4和表5分别为拱圈变形情况和应力情况。

图4 拱圈控制点

3.1 结构变形分析

表4 拱圈控制点竖向变形量mm方案步骤12345第一步+0.30+0.21-0.32-0.37-0.44方案一第二步+0.63+0.45-0.78-0.98-1.25第三步+1.08+0.94-1.11-2.0-15.59合计+2.01+1.60-2.21-3.33-17.28第一步+0.33+0.32-0.37-0.64-1.03方案二第二步+0.61+0.55-0.80-1.25-3.42第三步+0.99+0.81-1.08-1.38-12.64合计+1.93+1.68-2.25-3.27-17.09方案三+2.12+1.71-2.29-3.40-19.24 注:表中“+”表示向上,“-”表示向下。

由表4可知，3种拆除方案中，1、2、3、4号控制点的变形总量均相差不大；而在5号点，即拱圈中点，方案一和方案三的变形量相对较大，分别为17.28mm和19.24mm，方案二变形量相对较小，为17.09mm。

从表4可以看出：方案一和方案三的变形量均增加得较为突然，在最后一步拆除的瞬间，拱圈中点的变形量突然急剧增加，增量分别为15.59mm和19.24mm，方案二在最后一步变形量相对较小，为12.64mm。相比于方案三，方案一和方案二在拆除过程中变形量相差不大，且均远小于方案三。

3.2 结构力学性能分析

表5为拱圈各控制点的应力变化情况。从表中可以看出，方案二中3、4号控制点应力水平较高，分别为7.12、5.66MPa，而方案一与方案三各截面应力水平相近。这是由于方案二从中间往两边拆除的过程中，拱圈的跨度在逐渐增加，从而造成这两个点应力急剧增大。

表5 拱圈控制点应力MPa方案步骤12345第一步+3.17+2.04-1.22-1.31+3.47方案一第二步+3.04+2.62+1.04+1.13+2.72第三步-2.87-1.98+2.07+2.36-2.45合计+3.34+2.68+1.89+2.18+3.74第一步-1.98-2.03+0.96+0.93+0.72方案二第二步+1.23+1.35+3.24+2.31+1.42第三步+1.71+1.87+2.92+2.42+1.81合计+0.96+1.19+7.12+5.66+3.95方案三+3.08+2.84+2.07+2.27+3.88 注:表中“+”表示受压,“-”表示受拉。