大跨度钢管混凝土拱桥支架法施工仿真分析

汪德旺

(洪湖市公路管理局, 湖北 荆州433200)

近些年，钢管混凝土拱桥凭借其高强度、轻自重、造型美观和施工简便等优点[1]被广泛应用。当钢管混凝土拱桥跨度大于100 m，无支架法又可分为缆索吊装法、转体施工法和悬臂法[2]。缆索吊装法是拱桥无支架施工的一种，也是拱桥靠自身架设施工的主要方法之一。转体施工法是将拱圈或整个上部结构分为两个半拱，在河道的两侧分别采用地形或简单支架构造或预制半拱，采用动力装置将两个半拱转向拱桥的轴线位置上的施工方法[3-4]。而支架法是采用钢和其它构件形成拱形框架，然后浇筑拱架上部的主拱圈，或者是根据设计方案对拱架的上半部分进行建造，最后落架并完成其他部分的施工方法。该方法具有操作性强、施工简便和易控制拱轴线型等优点[5]，但支架法常用于拱肋距离地面较近、跨径较小和施工条件较好的情况[6]。当跨径较大的钢管混凝土拱桥采用支架法施工时，由于拱桥的矢高及跨径较大[7]，支架容易变形影响拱肋轴线[8]，此外对支架的安全性和稳定性也是较大的挑战。本文依托某钢管混凝土拱桥作为工程实例，基于有限元软件MIDAS-Civil对架设过程中支架的刚度、强度和稳定性进行仿真分析，验证了施工支架的安全性。

1 工程概况

某跨度为60 m+220 m+60 m的预应力混凝土连续刚构柔性拱组合桥采用下承式钢管混凝土加劲。主、边跨不平衡的长度为30 m，在国内较为少见[9]。根据桥梁设计文件和现场施工布置，本拱桥选用的施工方法为先梁后拱。主梁采用的是三向混凝土预应力结构，为变截面、变高度和单箱单室箱梁。箱梁的顶板宽度为13.0 m，箱底宽度为9.7 m。跨中梁的高度为4.6 m，边支点处的梁高为5.2 m，中墩处梁高为11.2 m。边跨端部和中跨中部为等高梁段，分别为7.5 m和15.6 m。拱桥的加劲钢管为钢管平行拱肋，矢高和跨度分别为40 m和220 m，矢跨比为0.182，施工拱轴线为二次抛物线，设计轴线方程为Y=-X2/245+0.82X。

2 有限元建模

桥梁施工支架主要为格构式钢管立柱，尺寸为2.5 m×2.5 m和3 m×2 m，共4根Q235B型钢管，钢管的壁厚和直径分别为5 mm和425 mm。全桥共计40个格构式钢管立柱，立柱的横向间距为7.5 m，纵向间距为5.8～7.9 m，桥面中心和跨中呈对称布置。经分析可知，支架的最不利受力状态为支架拼装完成但尚未合龙时。基于有限元软件MIDAS-Civil建立仿真模型，为了简化有限元模型以及减少计算时间，利用模型和载荷的对称性[10-14]，建立一半的支架和拱肋模型，设计的模型主要是以梁单元为主，模型共有4 632个单元，3 012个节点，有限元模型如图1所示。

图1 拱肋与支架有限元模型Fig.1 Finite element model of arch rib and support

本文在进行有限元仿真计算时，考虑了如下两种工况：工况1仅考虑支架自重和拱肋自重；工况2考虑支架自重和拱肋自重+横桥向风荷载。

3 有限元计算结果分析

通过对数值模拟计算结果的分析，可知利用支架法进行大跨径拱桥的拱肋原位进行施工时，需重点关注支架的自身的稳定性及其对拱轴线的影响。本文利用有限元软件MIDAS-Civil对支架进行静力分析和空间稳定性分析，以此评价施工的安全性。

3.1 静力分析

根据有限元计算结果可得工况1静力分析结果表1和图2。由图表可知，支架应力最大压应力值为24.44 MPa，小于190 MPa(容许应力值)，其位置为第1组格构柱顶部分配梁处。竖向位移最大值为2.12 mm，向下变位，出现的位置为第9、10组格构柱顶部的纵向平联处。横向位移最大值的方向为向桥外两侧变位，最大值为0.53 mm，出现在跨中支架顶部。

图2 工况1支架有限元计算结果Fig.2 The finite element calculation results of the support for working condition 1

根据有限元计算结果可得工况2静力分析结果表1和图3。由图表可知，支架最大压应力为111.77 MPa，远小于190 MPa(容许应力值)，出现在第1组格构柱底部钢管横向平联处。竖向位移最大值的方向为向下变位，最大值为2.33 mm，出现的位置为第9、10组格构柱顶部的纵向平联处。横向位移最大值为28.95 mm，方向为向背风侧变位，出现位置为跨中支架顶部。

图3 工况2支架有限元计算结果Fig.3 Finite element calculation results of support for working condition 2

表1 各工况下对应支架的应力和位移数据Tab.1 The stress and displacement data of the corresponding bracket under various working conditions

3.2 屈曲分析

屈曲分析，即空间稳定分析，针对支架进行空点稳定性分析[15-17]，第1阶模态工况1和工况2中第9组格构柱发生面外失稳破坏的弹性稳定系数为34.23，即临界荷载是支架自重和拱肋自重总和的34.23倍。不同工况在对应的不同阶段弹性稳定系数如表2所示。

表2 不同工况对应的弹性稳定系数Tab.2 Elastic stability characteristic values corresponding to different working conditions

由表2可知，工况1和工况2对应的第1—5阶模态的临界荷载系数均远大于4(规范要求的设计限值)。因此可证明，该方案中的施工支架稳定性满足规范和安全要求。此外，横桥向风荷载对支架的稳定性影响较小，拱肋和支架的自重为支架横向稳定性的控制荷载。

4 结论

采用支架法对跨度较大的钢管混凝土拱桥进行的原位拼装架设时，施工支架的刚度、强度和稳定性对施工的安全性尤为关键。为了验证该施工方法的可行性，本文基于有限元软件MIDAS-Civil建立三维有限元模型，对施工支架的静力和稳定性进行了有限元分析，具体结论为：

1)自重工况下(工况1)，支架的应力最大值为24.44 MPa、最大竖向和横向位移值分别为2.12 mm和0.53 mm，稳定系数为34.23。考虑横桥向风荷载工况下(工况2)，支架的应力最大值为111.77 MPa、最大竖向和横向位移值分别为2.33 mm和28.95 mm，稳定系数为34.23。因此可知，拱桥施工支架在刚度、强度和稳定性等方面均满足设计和规范要求，可保证现场施工的安全性。

2)横桥向风荷载对施工支架的横向稳定性影响较小，而对其应力和位移影响较大，因此在施工过程中应采用临时防风措施以及加强格构柱钢管间的连接，从而提高拱肋在关键施工阶段中的抗风性能，减小横向位移，从而保证拱肋在施工过程中的拱轴线型及施工安全性。