大跨径劲性骨架混凝土拱桥拱肋拼装施工有限元模拟方法研究

韩伟华

（山西黎霍高速公路有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

拱桥跨越能力强、承载能力高，被广泛应用于各类公路桥梁、市政桥梁。劲性骨架混凝土拱桥是一种采用劲性骨架作为主要受力构件的混凝土拱桥[1]，其主要用于特大跨径的拱桥。劲性骨架可作为混凝土浇筑的模板使用[2]，在混凝土浇筑完成后，劲性骨架与混凝土实际上形成了一种组合作用，可较好地发挥钢管承担拉应力、混凝土承担压应力的优势[3]。由于其施工方式多采用埋置式拱架法，因此劲性骨架的安装精度及线形直接决定了混凝土拱肋的线形[4-5]。

支架施工是劲性骨架混凝土拱桥常用的一种施工方式[6]，其主要方法为在拱桥施工位置按照设计线形预先设置支架，然后再进行劲性骨架的拼装以及拱肋混凝土的浇筑。支架施工的优势在于拱肋线形易控制且不需要大型吊装设备，但其对地形、地基要求极高，且施工时间较长。转体施工法是预先在桥梁两侧架设支架，预先完成半拱的浇筑，然后利用大型起重设备完成拱肋的转体。转体施工法的优势在于其对地基要求不高，但施工难度较高且线形不易控制。缆索吊装法的主要方法为分节段将预先制造完成的拱肋节段分批次吊装，最终形成完整的拱肋。

缆索吊装法环境适应性强[7]，可较好地适应绝大多数的拱桥施工，因此被广泛地采用，但如何建立精准的施工阶段有限元模拟方法还需进一步研究。本文以某大跨径劲性骨架混凝土拱桥为依托，对比了不同建模方式的有限元模拟方法的计算结果，提出了适用于大跨径劲性骨架混凝土拱桥缆索吊装施工的有限元模拟方法，为后续类似的工程建设项目提供了参考。

1 有限元模拟方法简介

Midas Civil软件模拟劲性骨架拱肋拼装方法主要有两种：不考虑构件沿初始切线方向激活；考虑构件沿初始切线方向激活。其基本原理简介如下。

1.1 不考虑构件沿初始切线方向激活

Midas Civil有限元模型建立时，各节点均含有一个初始坐标值。如图1所示，当不考虑构件沿初始切线方向激活时，当施工阶段中进行节点及单元的激活时，不考虑施工节段的变形，均在其初始坐标值位置激活。

图1 不考虑构件沿初始切线方向激活

1.2 考虑构件沿初始切线方向激活

如图2所示，在结构分阶段激活时，为实现各节段结构间较好的连接作用，考虑当前施工阶段的切向角位移，用于计算下一阶段的真实位移值。

图2 考虑构件沿初始切线方向激活

2 工程概况

大桥为上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥，跨径为155.0 m，拱圈矢高为39.3 m。

主桥上部采用15.0 m跨预应力混凝土先简支后结构连续T梁方案。拱肋共分为11个吊装节段，最大吊重为120.5 t，拱肋钢管材质为Q235，内部无需灌注混凝土，拱肋钢管通过矩形钢和槽钢联结成为钢架结构。劲性骨架采用缆索吊装斜拉扣挂方式施工，主拱圈采用C50混凝土分环分段浇筑施工。

3 有限元模型的建立

大桥拱肋共划分为11个节段进行分节拼装，利用Midas Civil建立该劲性骨架混凝土拱桥施工全过程有限元模型，建模结果如图3所示。有限元模型均采用梁单元计算，单元截面尺寸依据设计图纸而定。

图3 Midas Civil全桥有限元模型

桥梁边界条件如图3所示，拱脚、塔架底部、扣索根部均采用固定约束。施工阶段中，单元上的边界条件与单元均在同一施工阶段激活。

有限元模型的材料及其具体参数如表1所示。扣索材料采用Wire1770，弹性模量为2.05×105MPa，计算中忽略其容重的影响。柱材料采用C30，弹性模量为3.00×104MPa，容重为25.00 kN/m3。塔架材料采用16Mn，弹性模量为2.10×105MPa，容重为76.98 kN/m3。劲性骨架采用Q345，弹性模量为2.06×105MPa，容重为76.98 kN/m3。

表1 建模参数

4 结果分析

4.1 应力分析

考虑拱桥施工过程中的自重荷载、施工荷载，计算分析该劲性骨架混凝土拱桥的全过程施工阶段力学行为。以劲性骨架和节段拼装完成为例，对比不同建模方式计算结果的差异，如图4～图7所示。

图4 不考虑构件沿初始切线模型顶缘应力

图5 不考虑构件沿初始切线模型底缘应力

图6 考虑构件沿初始切线模型顶缘应力

图7 考虑构件沿初始切线模型底缘应力

劲性骨架应力计算结果可以得出以下结论：

a）不考虑构件初始切线、考虑构件初始切线的建模方法对于拱桥劲性骨架的应力计算结果无明显的影响。

b）劲性骨架上弦杆、下弦杆应力均为负值，该拱肋劲性骨架主要承担压应力。

c）上弦杆的应力值在-17.489 MPa左右，下弦杆的应力值在-4.04 MPa左右，上弦杆的应力值要明显大于下弦杆。

d）劲性骨架腹杆、斜杆的应力值在4.0 MPa左右，主要承担拉应力，在劲性骨架结构中主要起到传递剪力，连接上、下弦杆的作用。

4.2 变形分析

考虑构件沿初始切线、不考虑构件沿初始切线有限元模型变形计算结果如图8～图11所示。

图8 不考虑构件沿初始切线激活模型变形

图9 考虑构件沿初始切线激活模型变形

图10 不考虑构件沿初始切线激活模型变形值

图11 考虑构件沿初始切线激活模型变形值

不同有限元模拟方法对其变形影响分析结果如下所示：

a）由图8可知，对于不考虑构件沿初始切线方向的计算模型，各拱肋节段连接程度较差，这是由于该建模方法各节段单元均在其设计位置激活，因此当前置施工节段的单元发生变形后，前置与后置单元无法较好地衔接。

b）由图9可知，对于考虑构件沿初始切线方向的计算模型，各拱肋节段连接程度较为平顺，有限元模拟较为符合实际施工情况，考虑构件沿初始切线方向的有限元模拟方法可较好地模拟拱肋拼装。

c）由图10可知，对于不考虑构件沿初始切线方向位移的有限元模型，其在X=30 m、X=60 m、X=90 m、X=120 m处的位移分别为 10.52 mm、24.88 mm、18.14 mm、5.67 mm。

d）由图11可知，对于考虑构件沿初始切线方向位移的有限元模型，其在X=30 m、X=60 m、X=90 m、X=120 m处的位移分别为 12.34 mm、26.54 mm、17.28 mm、5.55 mm。

e）对比图10、图11可知，相较于不考虑构件沿初始切线方向位移的有限元模型，考虑构件沿初始切线方向位移的模型拱肋跨中位移可提高6.67%，其模拟精度较高且与实际施工状态相符。

5 结语

本文以某大跨径劲性骨架混凝土拱桥为例，建立拱肋劲性骨架施工有限元模型，研究了不同有限元模拟方法的计算结果差异，主要得出如下结论：

a）不考虑构件初始切线、考虑构件初始切线的建模方法对于拱桥劲性骨架的应力计算结果无明显的影响。

b）劲性骨架上弦杆、下弦杆应力均为负值，且上弦杆的应力值要明显大于下弦杆，说明该拱肋劲性骨架主要承担压应力。

c）劲性骨架腹杆、斜杆的应力值在4.0 MPa左右，主要承担拉应力，在劲性骨架结构中主要起到传递剪力，连接上、下弦杆的作用。

d）对于不考虑构件沿初始切线方向的计算模型，各拱肋节段连接程度较差，前置与后置单元无法较好地衔接。

e）相较于不考虑构件沿初始切线方向位移的有限元模型，考虑构件沿初始切线方向位移的模型拱肋跨中位移可提升6.67%，建模精度较高且吻合实际施工状况。