不同风荷载作用对大跨度钢管混凝土拱桥施工影响分析

王诗海 唐咸远 李松敖

摘  要：为研究不同等级风荷载对施工过程中大跨度钢管混凝土拱桥的力学性能的变化，采用Midas/Civil软件对广西某主跨为336 m的中承式钢管混凝土拱桥的横桥向位移、轴力、拉压应力及拱脚处弯矩值的变化情况进行了分析.分析研究表明：横桥向位移、轴力及拱脚处弯矩随不同重现期风荷载的增加呈现先增大后减小的变化规律，在最大悬臂端阶段时横桥向位移和拱脚处弯矩取得最大值，随后逐渐减小，而轴力在拱肋合龙时取得最大值后才逐渐减小;同一施工阶段拱的拉压应力随重现期风荷载的增加而增大，构件所受的实际拉应力都小于实际压应力，但各相对施工阶段的增长率在逐渐减小.

关键词：钢管混凝土拱桥;风荷载;施工阶段;有限元分析

中图分类号：U448.22;U441.2             DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.005

0    引言

随着我国对钢管混凝土拱桥的建设逐渐增多，跨度需求也愈来愈大，其施工的质量控制及安全保障问题日益突出 [1-5].国内外诸多学者对优化桥梁施工及影响桥梁安全因素等方面做了不少的研究，有限元模拟软件的开发也为桥梁复杂构件施工提供了可视化分析与理论依据，大大促进了桥梁的快速发展[6-7].目前，大多数学者对钢管混凝土拱桥在施工阶段时拱肋吊装及扣索的受力变化规律进行了探究，也有对拱桥的拱轴线型进行重新设计与优化分析，虽然这些举措为桥梁施工提供了一定的参考依据，提高了成桥后桥梁的强度和稳定性，但都未考虑施工条件下风荷载对桥梁自身结构的影响[8-12].风荷载是一种随机荷载，风对桥梁的影响表现为结构的失稳破坏，当风荷载达到桥梁结构承受极限范围之外时，往往会对桥梁结构产生变形破坏从而导致整桥的坍塌[13].对于悬臂施工的大跨度斜拉桥、连续梁桥应该考虑施工阶段的风荷载作用，相关研究也有不少[14-15].但相对于大跨度钢管混凝土拱桥在采用不同的施工方式及考虑风荷载对桥身结构的影响研究相对较少，且不同地区的地质气候环境对桥梁施工的影响也有差别[16].因此，加强对桥梁施工阶段的抗风性能研究，防止风荷载对桥梁的破坏、保证施工安全具有重要的现实意义.本文通过对一主跨为336 m的钢管混凝土拱桥為研究背景，结合施工现场情况及监控情况，分析不同重现期风荷载对桥梁施工阶段的横桥向位移、轴力、拉压应力及拱脚处弯矩值的变化规律，以期研究和了解其在施工各阶段的受力变化情况.

1    工程概况

1.1   大桥基本概况

如图1、图2所示，广西来宾某跨红水河大桥，主桥长336 m，桥面宽54.4 m，引桥长217 m，全桥长553 m，按两幅桥进行设置，单幅桥的桥面总宽为25.5 m，设计速度为120 km/h;桥跨径由        5×30 m+336 m+2×30 m组合而成;桥面梁由“工”字型的格子梁构成;桥面系由钢纵梁以及钢主、次横梁的钢-混凝土构成的桥面板并采用沥青混凝土对桥面进行铺装，钢纵梁由钢横梁悬臂拼接而成.

1.2   主桥施工概况

通过配置额定起重能力达到1 000 kN的主索对大桥上部结构进行吊装，塔架系统采用将吊塔和扣塔共用的“吊、扣合一”方式，拱肋均为厂内预制的构件且采用两岸对称往跨中的施工方式进行.每跨主拱肋共有24段，分左右两个半拱从红水河两岸分别按照1～12段的对称顺序进行施工，在中间第12节段安装完成，主桥上部结构施工共划分为40个施工段.

2    风荷载计算与模型建立

2.1   风荷载计算

因大桥位于广西来宾市附近，横跨一条红水河，地表地貌类型可划分为B类，根据来宾重现期基本风速分布表按重现期20年、40年和100年取值，平均风速分别取为22.8 m/s、23.7 m/s和24.9 m/s（相当于9～10级风力）.结合设计与施工图纸，以拱脚处作为零基准面，分别计算各个施工节段随基准高度变化时所对应的等效静风风速.风荷载基本参数取值与计算根据规范来确定[17]，分别计算得到不同重现期内各施工节段弦杆及腹杆单位长度上的静风线荷载如表1所示.

从表1分析可知，由节段1至节段12时，在不同重现期风荷载作用下的施工等效静风风速均增加了23.6%，相应的弦杆线荷载、腹杆线荷载增加了52.5%;其中主梁线荷载在节段7时取得最大值，较节段1增加了41.1%，节段12相较取得最大值的节段7减小了5.12%;随着施工节段的进行，不同重现期风荷载及不同施工等效静风风速下的主梁线荷载均大于弦杆线荷载和腹杆线荷载.

根据表1，绘制不同重现期风荷载作用下的施工等效静风风速、主梁线荷载、弦杆线荷载和腹杆线荷载随各节段构件的变化规律情况如图3—图6所示.如图3所示，随着各节段构件的有序施工，各重现期内的施工等效静风风速逐渐增大，并逐渐趋于稳定;从图4—图6分析可知，静风线荷载随不同重现期风荷载的增加明显增大，其中主梁线荷载的影响最大，在节段7取得最大值，随后有小幅度的降低，而弦杆线荷载和腹杆线荷载随不同重现期风荷载的增加而增大并逐渐趋于稳定.在同一施工节段处，重现期40年风荷载相对于重现期20年风荷载，同一节段处的施工等效静风风速均增加了3.9%，相应的主梁线荷载、弦杆线荷载及腹杆线荷载均增加了8.1%;重现期100年风荷载相对于重现期20年风荷载，同一节段处的施工等效静风风速均增加了16.7%，相应的主梁线荷载、弦杆线荷载及腹杆线荷载均增加了36.2%.表明随着重现期风荷载的不断增加，同一节段处的施工等效静风风速、主梁线荷载、弦杆线荷载及腹杆线荷载也在不断的增大.

2.2   有限元模型建立

如图7所示，桥梁有限元模型中的扣索和吊杆选用软件内提供的索单元进行实现，桥面板选取板单元实现，其它选取空间梁单元模拟实现.建模时对扣索的模拟考虑了扣索整个长度的刚度等效，并与实际缆索吊装施工相符;混凝土灌注施工过程采用软件自带的施工阶段联合截面功能进行模拟分析;桥面系格构梁和立柱之间通过主从节点进行模拟;桥梁上的二期恒载作用采用均布荷载的方式给予施加.设计的汽车最大行驶速度为120 km/h，桥面上的人群荷载和汽车荷载分别设为3.5 kN/m2和城市A级，冲击系数取0.11进行计算分析.

3    施工阶段静风稳定性分析

选取具有代表性6种工况进行分析，由于大桥左右幅跨度及高度相同，因此，选择一幅进行计算，并考虑风荷载作用下最大悬臂施工阶段左右半跨的稳定性.横桥向风荷载相较于顺桥向风荷载对桥梁结构的影响作用更大，故文章只考虑不同等级风荷载对横桥方向上的影响作用分析，将表1中计算得到的相关值输入到桥型各施工阶段的不同结构中，分别进行计算，得到横桥方向上的位移、轴力、拉压应力以及拱脚处弯矩的变化值.

3.1   横桥向位移

利用Midas/Civil有限元软件对重现期20年、40年和100年风荷载以及恒载作用下横桥向位移（均位于左侧），拱肋各施工段对应的竖向位移最高处节段上弦杆顶端进行计算分析，具体分析结果如图8所示（均取最大位移绝对值）.由图8分析可知：1）不同重现期风荷载作用与恒载作用下相比，横桥向的位移变化较为明显且呈现先增大后减小的变化规律趋势，均在最大悬臂端施工阶段（CS12）取得最大值，而后随各施工阶段的进行横桥向位移逐渐减小至稳定;2）在最大悬臂施工阶段（CS12）处，重现期20年、100年的风荷载比恒载作用下要分别增大约15倍、20倍，故当风荷载较大时，应该采取加固措施来保证拱肋的稳定，并加强对拱肋的各方位监控，确保拱肋及其它构件的顺利施工.

3.2   横桥向轴力

通过计算不同重现期风荷载及恒载作用下各施工阶段对应的横桥向轴力关系曲线如图9所示.从图9分析可知：1）在恒载和不同重现期风荷载分别作用下，横桥向轴力随各施工阶段进行的变化趋势较一致，说明在横桥向风荷载作用下会对设有临时或永久横撑的桥梁部位产生横桥向轴力.2）横桥向轴力随着拱肋吊装施工阶段（CS1～CS12）的进行均在不断增加，且在拱肋合龙时（CS13）取得最大值，随后续施工阶段的进行横桥向轴力逐渐减小，而在桥面最大悬臂阶段（CS31）处又继续回升稳定至成桥阶段（CS40），这是因为桥梁在拱肋与桥面合龙后受到自重和顶推力等各方面力的共同作用而导致的.3）考虑重现期100年的风荷载作用比单恒载作用下的横桥向轴力增大约13.2%，表明相同施工阶段的横桥向轴力受风荷载的影响不大.

3.3   拉、压应力

不同重现期风荷载以及恒载作用下最大组合应力的计算结果如表2所示.其中施工阶段的最大拉应力均发生在左侧拱肋第一节段的下层横腹杆处，在成桥阶段则位于右侧桥面格子梁上;最大压应力在不同阶段均出现在左侧拱肋第一节段主拱肋外侧连接处.

3.4   拱脚处弯矩

不同重现期风荷载以及恒载作用下随不同施工阶段进行的拱脚处弯矩变化关系曲线如图12所示.由 图12分析可知：1）随各施工阶段的进行，在重现期20年、40年及100年风荷载作用下的拱脚处弯矩均呈现先增大后减小的变化规律，各变化趋势较为一致，在拱肋最大悬臂阶段（CS12）时拱脚处的弯矩值取得最大值，相对于恒载作用下时并不是在此阶段取得最大值，而是在下一拱肋合龙阶段（CS13）才取得;   2）重现期100年的风荷载比恒载作用下的最大弯矩增大约31.2%，表明在拱肋吊装阶段不同等级的风荷载对桥梁各部分结构弯矩的影响较大，因此，在风荷载作用下，应加强稳定措施，以防拱肋出现扭转破坏.

4    结论

通过Midas/Civil软件对大跨度钢管混凝土拱桥施工中在不同等级的风荷载作用，不同施工阶段的受力及变形进行分析，得出的结论主要有：

1）桥梁施工阶段应考虑不同等级风荷载对各桥梁构件施工的影响.随着不同重现期风荷载的增加，横桥向位移、轴力及拱腳处弯矩也逐渐增大，横桥向位移和拱脚弯矩在最大悬臂端阶段达到峰值，之后逐渐减小，而轴力在拱肋合龙时才取得峰值.

2）桥面吊装施工阶段最大弯矩发生于拱肋与桥面衔接处位置，在桥面最大悬臂阶段时，拱肋与桥面衔接处的弯矩将取得峰值，因此，在桥梁施工中应加强拱肋与桥面衔接处的施工监控，以防止强风条件下拱肋与桥面形成扭转破坏.

3）同一施工阶段拱的拉、压应力均随不同重现期风荷载的增加而增大，但各相对施工阶段的增长率在逐渐减小;同一施工阶段构件所受的拉应力远小于压应力，且拉、压应力均小于钢管的容许应力值.

4）结合Midas/Civil有限元软件对桥梁在不同等级风荷载作用下的施工各阶段分析，可以为桥梁在不同施工阶段采取相应的监控措施提供参考依据，这对确保施工的安全和提高监测效率具有重要意义.

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（責任编辑：罗小芬、黎   娅）