连续梁拱组合桥拱肋结构顶推力学性能分析

王泽能　成魁

摘要：大跨度梁拱组合桥拱肋结构在顶推施工过程中的受力情况复杂，横向抗倾覆稳定性较差。为确保拱肋结构顶推过程的安全和稳定，文章以某大跨度梁拱组合体系桥拱肋顶推施工为例，采用有限元计算方法对顶推施工过程中的拱肋进行研究，提出在拱脚处进行临时配重来提高顶推施工过程中拱肋的抗倾覆性能，并通过对比三组临时配重作用下的拱肋受力状态以及抗倾覆性能，研究临时配重对拱肋结构内力以及横向抗倾覆能力的影响。分析结果表明：对拱脚进行临时配重后拱肋抗倾覆稳定性有所改善，在拱脚临时配重350 kN时，拱肋抗倾覆性能最大可提高29.2%，同时拱脚临时配重对拱肋结构应力及屈曲稳定性相对影响较小，该措施的提出也可为类似工程提供借鉴。

关键词：拱肋;抗倾覆稳定性;顶推;梁拱体系;有限元模拟

中国分类号：U448.21+6文章标识码：A180684

0 引言

连续刚构拱桥作为强梁弱拱体系，通常先施工混凝土连续梁，其次架设拱结构。混凝土连续梁桥施工大多为挂篮悬臂浇筑，拱肋则可采用支架原位拼装、原位支架卧拼并竖转合龙和异位拼装并纵向顶推滑移施工方法。近年来，由于异位拼装并纵向顶推滑移施工方法有利于控制成拱线形，能够极大提高施工效率，缩短施工工期，该施工方法得到广泛的应用[1]。目前，现有研究主要针对如何根据结构受力状态制定合理可行的临时支撑措施[2]和滑移构造设施[3]，以及如何采取可行有效的监控方案等方面，缺少顶推施工过程中拱肋结构受力性能的探讨，此外，由于拱肋重心较高，顶推过程中横向风荷载对拱肋结构的倾覆稳定性影响很大[4]。

本文以某大跨度梁拱组合体系桥拱肋顶推施工为背景，运用有限元软件对拱肋结构力学性能进行研究，分析顶推施工中拱肋横向抗倾覆稳定性能[5]。

1 工程概况

背景桥梁为三孔（72+128+72）m直吊杆体系连续梁拱桥，拱肋垂直布置，支座中心至梁端0.85 m。系梁横截面采用单箱双室变高截面，边支点断面高4.0 m，中支点断面高7.5 m，采用C55混凝土，拱肋为哑铃型截面，内部浇筑C55混凝土，桥型布置如图1所示。拱肋采用顶推法施工，通过推运车将拱肋顶推到指定位置，具体如图2所示。

2 梁拱组合桥施工

2.1 施工方案

本桥采用先浇筑主梁后架设拱肋的施工方法，主桥采用悬浇施工，拱肋采用顶推法施工，通过推运车将拱肋顶推到指定位置。

（1）拱肋拼装支架

临时支架立柱钢管采用[WTBX]426 mm×8 mm钢管，钢管立柱之间用C16a槽钢连接;墩顶采用I32a工字钢作分配梁;分配梁顶焊接500 mm×1 000 mm×14 mm钢板作为支撑平台。墩柱之间采用[WTBX]273 mm×8 mm钢管连接牢固，以保证整个支撑体系稳定。立柱可在拼装场地拼装后整体吊装。吊装拱肋节段时，涉及的支架间横向连接在拆除、吊装完成后重新安装固定。

（2）拱肋顶推系统

拱脚处设置水平拉索，平衡拱脚处产生的水平推力。利用拱脚位置纵向顶推体系进行整体顶推。顶推体系由连接抱箍、楔形钢箱梁、贝雷片横梁、桁架小车、临时拱座等组成，轮箱底部设置钢轨和轨道基础。

2.2 关键技术

拱肋结构在顶推过程中会在外部荷载的冲击作用下产生屈曲变形，从而降低拱肋结构的安全稳定性，目前主要通过以下几种措施解决上述问题。

（1）拱肋顶推时通过在拱脚处配备水平拉索来平衡拱脚的水平推力，这样可最大程度上减小拱肋的撑开变形，因顶推过程中只有拱脚水平推力且仅由恒载作用产生，因此可根据裸拱恒载作用下水平推力[JP+2]作为临时水平拉索初张力，水平拉索承受的拉力为1 690.4 kN。

（2）在顶推过程中，由于拱肋重心偏高，因此需针对拱肋体系的稳定安全性进行验算，以保障拱肋结构顶推过程中的安全。

（3）在顶推过程中，采取临时配重措施来确保拱肋结构的安全稳定性，在四台推运车上均布置配重水箱，配重示意如图3所示。本文通过在拱肋拱脚位置进行不同的荷载配重，结合有限元对其受力性能和抗倾覆稳定性进行对比分析。

3 拱肋结构有限元模型的建立

3.1 有限元模型

采用有限元软件建立拱肋在横向风荷载作用下的空间模型，拱肋间的纵横向连接平联使用Midas Civil的空间梁单元模拟。拱肋之间的水平拉索采用桁架单元模拟，水平拉索的初始拉力根据恒载作用下支座承受的水平力取值，拱肋的空间有限元模型如图4所示。

3.2 荷载及荷载组合

3.2.1 荷载计算

拱肋结构在顶推过程中主要承受拱肋结构自身重量和作用在拱肋上的风荷载，恒载主要包括拱肋自重、横撑及斜撑自重;横向风荷载主要根据《铁路桥涵设计基本规范》规定计算，具体公式如下：

3.2.2 荷载效应组合

荷载效应组合根据《公路与铁路两用桥梁通用技术要求》第5.1.3条可知：

（1）风荷载作用下抗倾覆稳定性最不利效益组合：1.0×拱肋自重+1.1×横向风荷载+1.1×纵向风荷载;

（2）作用基本組合：1.2×拱肋自重+1.1×横向风荷载+1.1×纵向风荷载;

（3）正常使用状态组合：1.0×拱肋自重+0.75×横向风荷载+0.75×纵向风荷载。

4 拱肋力学性能分析

4.1 拱肋内力分析

4.1.1 拱肋应力分析验算

根据拱肋顶推实际过程中的受力情况，通过将上述荷载施加到有限元模型中，分别在拱脚位置处布置几组不同配重，对比分析不同临时配重前后拱肋应力变化情况，其变化情况如表2所示。

由表3可得，拱肋在顶推时，对拱脚进行临时配重后拱肋结构弯曲应力和剪切应力变化幅度很小，且应力都小于规范允许限值，因此可知拱脚临时配重对拱肋结构应力影响不大。

4.1.2 临时拱座支反力计算

根据有限元模型分析顶推静止状态的拱肋在风荷载作用下的受力，得到臨时拱座支反力，各支反力计算结果如表3所示。

4.2 拱肋横向风荷载作用下抗倾覆计算

4.2.1 计算方法

通过有限元软件对拱肋顶推施工做静力分析，按最不利荷载布置（本工程选取风荷载作用下的荷载组合），计算得到此状态下的支座反力。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362[CD*2]2018）第4.1.8条进行拱肋结构抗倾覆验算，计算公式如下：

根据计算结果可知，在顶推期间拱肋抗倾覆稳定安全系数虽然小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》所要求的2.5，但安全储备不够。

本文提出在拱脚处进行配重来提高顶推施工过程中拱肋的抗倾覆性能，通过对比三组临时配重作用下拱肋的抗倾覆性能，分析在最不利工况下拱肋结构抗倾覆稳定性系数与配重荷载之间的关系，不同配重荷载下拱肋抗倾覆安全系数变化如表4所示，抗倾覆稳定系数随配重荷载变化的规律如图5所示。

综上所得，在拱脚临时配重后，拱肋抗倾覆稳定性有所改善，在拱脚临时配重350 kN时，拱肋抗倾覆性能最大可提高29.2%，且抗倾覆稳定性系数随配重荷载增大而增大，由此可知在拱脚位置处进行配重以提高拱肋结构横向抗倾覆稳定性的方法是可行的。

4.3 横向风荷载作用下结构稳定性分析

拱肋在顶推施工过程中，由于运输小车的临时启动或制动，将会导致失稳现象的产生，因此对拱肋进行空间稳定性分析，对比不同配重下拱肋各阶模态的临界荷载系数以及失稳形态，然后据此评价支架的稳定性，具体结果见表5。

根据表5可知，不同临时配重作用下拱肋各阶模态的临界荷载系数都大于设计限值4，但拱脚配重后对拱肋屈曲稳定性影响不大。由此可见，采取拱脚临时配重措施后拱肋顶推时的稳定性能够满足施工中的要求。

5 结语

本文针对某大跨度梁拱组合桥顶推施工拱肋结构力学性能进行研究，主要得到如下结论：

（1）通过有限元软件分析可知，对拱脚进行临时配重后拱肋结构弯曲应力和剪切应力变化幅度很小，并且弯曲应力和剪切应力都小于规范限值，因此可知拱脚临时配重对拱肋结构应力影响不大。

（2）在拱脚临时配重后，拱肋抗倾覆稳定性有所改善，在拱脚临时配重350 kN时，拱肋抗倾覆性能最大可提高29.2%，且抗倾覆稳定性系数随配重荷载增大而增大，因此拱脚位置处进行配重提高拱肋结构横向抗倾覆稳定性的方法是可行的。

（3）不同临时配重作用下拱肋各阶模态的临界荷载系数都大于设计限值4，但拱脚配重后对拱肋屈曲稳定性影响不大，因此可知采取拱脚临时配重措施后拱肋顶推时的稳定性能够满足施工中的要求。

参考文献：

[1]袁明波.大跨径梁拱组合结构桥梁整体顶推施工关键技术研究[D].南京：东南大学，2016.

[2]罗春林.武九客运专线西南下行联络线特大桥主桥桥式方案比选[J].铁道标准设计，2015，59（6）：73-79.

[3]张 鹤，乔晓军，张爱江，等.大跨径梁拱组合体系拱桥整体顶推施工的理论计算及施工监测的对比分析[J].施工技术，2014，43（S2）：238-243.

[4]刘建廷.大跨度钢桁梁柔性拱组合结构顶推设施设计[J].高速铁路技术，2014，5（4）：82-88.

[5]谢福君，张家生.钢箱梁顶推参数影响及稳定性分析[J].铁道科学与工程学报，2019，16（6）：1 484-1 492.

3053501908297