考虑温度影响的系杆拱桥施工控制研究

2022-07-29徐江顺宋郁民

智能计算机与应用 2022年8期

徐江顺，宋郁民

（上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620）

0 引言

随着国内桥梁建设的飞速发展，钢管混凝土拱桥因其较强的跨越能力、优美的外观、较低的建设成本等优点得到了广泛应用。在自然环境中，钢管混凝土拱桥受到收缩徐变、温度变化等因素的影响，应力和线性产生改变。对于钢管混凝土拱桥的收缩徐变效应，已经有学者从预测模型、计算方法、温度影响、终止时间等角度做出深入研究。对于大跨度桥梁的温度效应，已经有学者从混凝土凝固特性、外加剂的使用、施工技术等方面进行研究。然而，关于桥梁施工过程中的实际温度对成桥应力和线形的影响研究较少。

在桥梁设计阶段，通常考虑桥梁建设地址年平均温度、均匀升降温和梯度升降温。而在实际施工过程中，组合体系桥梁不同构件施工温度具有较大差别，通常钢管混凝土拱桥系梁和拱肋建设于不同季节，建设时温度差异较大。由于组合体系桥梁，成桥过程发生多次体系转换，因此有必要研究施工过程中已施工构件的变形和位移对成桥线形和应力的影响。本文结合福厦铁路新建钢管混凝土系杆拱桥项目，建立有限元模型模拟计算施工过程，研究实际施工温度对钢管混凝土系杆拱桥的影响。

1 工程概况

新建铁路福州至厦门客运专线72 m 钢管混凝土系杆拱桥，体系结构为刚性系杆刚性拱。主桥立面布置见图1。图1 中，各尺寸单位均为cm。

图1 主桥立面布置图Fig.1 Elevation layout of main bridge

系梁采用单箱三室预应力混凝土箱型截面，桥面箱宽17.1 m，梁高2.5 m，底板厚度为0.3 m，顶板厚度为0.3 m，边腹板厚度为1.3 m，中腹板厚度为0.3 m。吊点处设置横梁，每个箱室均设检查孔，系梁两端设置进入孔，拱脚处6 m 范围内设置实体截面梁端。

拱肋采用悬链线线型，矢跨比为1／5，矢高为14.4 m，研究推得的悬链线方程（1）可表示为：

其中，为计算矢高，取值14.4；为拱轴系数，取值1.127；为计算跨径，取值72；为拱顶至计算点处的距离。

拱肋采用哑铃型钢管混凝土截面，钢管直径为1 m，截面高度为3 m，由厚16 mm 钢板卷制而成，钢管内填充C55 混凝土。每根拱肋的两钢管之间用厚为16 mm 腹板连接，腹腔内不填充混凝土，仅在拱脚范围1 m 填充C55 无收缩混凝土。钢管和腹板均采用Q345qD 钢材。两拱肋之间共设3 道横撑，拱顶处设X 型横撑，拱顶至两拱脚间设2 道K 型横撑，横撑内部不填充混凝土。拱肋截面如图2 所示。图2 中，各尺寸单位均为mm。

图2 拱肋截面图Fig.2 Section diagram of arch rib

吊杆布置采用纵向双吊杆体系，共设18 对吊杆，吊杆中心纵向间距为6 m，双吊杆中心距为0.6 m。吊杆均采用73 根φ7 高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸墩头锚，索体采用PES 低应力防腐索体，并外包不锈钢防护层。各阶段单根吊杆索力值见表1。

表1 单根吊杆索力值Tab.1 Single derrick cable force value

2 计算模型

使用有限元软件进行全桥建模，根据实际工程图纸，共建立401 个节点，454 个单元，包括36 个桁架单元、418 个梁单元。系梁和拱脚采用梁单元模拟，拱肋采用施工联合截面模拟，吊杆采用桁架单元模拟。拱肋截面的联合程序与实际施工程序一致，首先吊装拼接钢管，其次泵送下弦杆管内混凝土，最后泵送上弦杆管内混凝土。模型中施加的静力荷载包括自重、二期恒载、预应力荷载、温度荷载；列车荷载采用ZK 活载；混凝土材料（C50、C55）的材龄为3 d。本文通过该模型模拟施工温度对成桥的影响，为方便分析处理数据，每组2 根吊杆取其吊杆力的平均值。根据混凝土材料的特殊性质，混凝土浇筑凝固即开始产生收缩变形，并在桥梁自重等荷载作用下产生徐变变形。收缩徐变使节点位置发生改变，将边界条件激活方式定义为“变形后”，此时节点保留前期施工阶段发生的位移，节点不产生强制位移和反力。有限元模型如图3 所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

3 计算分析

厦门市属于亚热带海洋性季风气候，气候温暖湿润。根据公开的气象资料，厦门市年平均温度在20 ℃左右，1～12 月的平均温度、平均最高温度、平均最低温度见表2。

表2 厦门市气象资料Tab.2 Meteorological data of Xiamen

由表2 可知，厦门市一年中2 月平均温度最低，为12.4 ℃；7 月平均温度最高，为27.8 ℃。月度平均最高温度为32.3 ℃，月度平均最低温度为9.8 ℃。为研究实际施工温度对钢管混凝土系杆拱桥的影响，本文共探讨3 种情况：

（1）工况1：根据设计资料，系梁和拱肋同时安装，安装时温度为20 ℃，拱肋和系梁采用相同的最高温度和最低温度。

（2）工况2：夏季成桥，系梁初始温度为2 月份12.4 ℃，拱肋初始温度为7 月份27.8 ℃，拱肋和系梁采用相同的最高温度和最低温度。

（3）工况3：冬季成桥，系梁初始温度为7 月27.8 ℃，拱肋初始温度为2 月份12.4 ℃，拱肋和系梁采用相同的最高温度和最低温度。

3 种工况下，有限元模型中单元均匀升降温参数设定见表3。

表3 单元均匀升降温参数Tab.3 Unit uniform temperature rise and fall parameters ℃

3.1 系梁和拱肋线形

成桥系梁和拱肋在自重、二期荷载、活载和收缩徐变等因素的共同作用下发生竖向变形。考虑实际施工温度的影响，成桥系梁和拱肋的竖向变形值如图4 和图5 所示。

图4 系梁竖向变形值Fig.4 Vertical deformation value of the beam

图5 拱肋竖向变形值Fig.5 Vertical deformation value of arch rib

由图4 可知，工况1 全桥采用相同的初始温度20 ℃，系梁跨中挠度最大为32.09 mm；工况2 夏季成桥，系梁初始温度为12.4 ℃，拱肋初始温度为27.8 ℃，系梁跨中挠度最大为31.90 mm；工况3 冬季成桥，系梁初始温度为27.8 ℃，拱肋初始温度为12.4 ℃，系梁跨中挠度最大为34.99 mm。工况1 和工况2 系梁变形曲线基本相同，工况3 系梁竖向变形值有明显增长。对比工况1，工况3 在8、4、2 处系梁竖向变形值分别增加32.77%、24.16%、9.04%，呈现明显的增长趋势。

由图5 可知，工况1 钢管拱肋拱顶挠度最大为33.28 mm；工况2 拱肋拱顶挠度最大为33.02 mm；工况3 拱肋拱顶挠度最大为33.58 mm，3 种施工工况下拱肋变形曲线较为接近。工况3 靠近拱脚两端拱肋竖向位移值偏大，对比工况1，工况3 在8、4、2 处拱肋竖向变形值分别增加15.44%、8.90%、0.90%。

对比图4 和图5 可知，施工温度对于成桥系梁的线形影响较大，在较高的施工温度下，系梁竖向变形值呈现明显的增长。钢管混凝土系杆拱桥作为一种组合体系的桥梁，系梁线形的变化将导致拱肋线形随之变化。

3.2 系梁和拱脚应力

3 种工况下系梁和拱脚（钢管、上弦杆核心混凝土、下弦杆核心混凝土）应力见表4、表5。表4、表5中，压应力表示为负值。

表4 成桥系梁应力Tab.4 The stress of the beam MPa

表5 成桥拱脚应力Tab.5 The stress of arch foot MPa

由表4 和表5 可知，3 种工况下成桥系梁应力基本相同，工况2 系梁4 跨径截面应力减小0.2 MPa。工况1 和工况2 拱脚应力无变化，钢管拱肋应力为149.0 MPa，上弦杆内核心混凝土应力为4.5 MPa，下弦杆内核心混凝土应力为2.2 MPa。对比工况1 和工况2，工况3 拱脚上弦杆内核心混凝土应力增加0.3 MPa，增长幅值为6.67%；下弦杆内核心混凝土应力减小0.2 MPa，增长幅值为-9.10%。工况3 系梁和拱肋线形的变化较为明显，拱脚应力随之发生改变。