大跨度连续梁-拱组合体系桥梁施工过程静力性能研究

2022-11-09严来章马乐乐刘宗族

安徽建筑 2022年10期

严来章，马乐乐，刘宗族

（中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽合肥 230011）

0 前言

近年来，随着我国高速铁路建设的快速发展，对铁路沿线的桥梁建设需求也日益增加。连续梁拱体系组合梁桥作为连续梁和拱相结合的结构体系，兼具连续梁桥和拱桥的特点，使拱肋与主梁在结构受力方面的优势得到充分施展[1]。从结构受力性能方面分析，在荷载和自重作用下，结构体系的内力大部分都能转换成梁、拱自平衡体系的相互作用力。拱的水平推力与梁的轴向拉力相互作用，拱肋与主梁截面的总弯矩主要表现为“拱受压、梁受拉”的形式；剪力则主要成为拱肋压力的竖向分力[2～3]。由于结构受力性能良好、整体刚度大以及造型美观等特点，梁-拱组合体系桥在铁路桥梁建设中得到了广泛应用。为了对大跨度梁-拱组合体系桥梁在施工过程中的受力性能进行研究，本文以邳州跨京杭大运河特大桥1m～168m 下承式系杆拱桥为背景，计算各主要施工阶段中拱肋、主梁等关键构件的应力分布情况，并对主要承重构件在不同施工阶段的受力性能进行研究，为同类型桥梁的安全施工及质量控制提供依据及参考。

1 工程概况

邳州跨京杭大运河特大桥1m～168m 系杆拱桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥，连续梁部分全长337.3m（含两侧梁端至边支座中心线各0.75m），跨径布置为83.9+168+83.9m，计算跨径为168m，矢跨比f/L=1/5，拱肋平面内矢高33.6m，拱曲线为悬链线线型。拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度3m，沿程等高布置。两拱肋之间共设9 道钢结构横撑，横撑均采用空间桁架撑。主梁为预应力混凝土结构，采用单箱双室变高度箱型截面，跨中及边支点处最低点梁高4.2m，中支点处最低点梁高为9.5m，梁底圆曲线变化，防护墙内侧净宽9.0m，桥梁全宽14.2m，中支点处（拱脚处）局部加宽为16.3m。吊杆顺桥向间距9m，全桥共设16 组双吊杆，吊杆采用LZM(K)7-Ⅰ型吊杆系统，吊杆索体采用PES(FD)低应力防腐索体，跨京杭大运河桥梁连续梁拱纵断面图如图1所示。

图1 桥梁整体布置图（单位：cm）

2 施工阶段模拟

2.1 有限元模型建立

依据桥梁设计资料，利用MIDAS/Civil 软件建立该桥的空间有限元模型。拱肋、系梁等构件均采用线弹性梁单元进行模拟，吊杆采用只承受拉力的桁架单元进行模拟。主梁截面的普通钢筋及预应力钢筋按照设计资料进行输入。对于钢管混凝土拱肋，本文采用钢管梁单元和灌浆混凝土梁单元共单元方式模拟。在进行边界条件设置时，吊杆与拱肋采用共节点方式连接，吊杆与主系梁之间进行刚性连接，系梁在拱脚处按刚性连接进行考虑。为了考虑施工过程中边跨满堂支架与梁的相互作用，支架与梁采用弹性连接中的仅受压连接。全桥共划分1172 个单元，包括1108 个线弹性梁单元以及64 个桁架单元，建立的主桥有限元模型如图2所示。

图2 全桥有限元模型

2.2 施工阶段划分

该桥采用“先梁后拱”的原则进行施工。系梁采用悬臂浇筑法施工，拱肋采用汽车吊进行节段拼装施工。拱肋内混凝土采用混凝土输送泵，分别从4 个拱脚同时由拱脚向拱顶压送，待混凝土达到强度后安装吊杆并张拉，完成梁体体系转换。根据系杆拱桥的施工特点，在进行有限元模拟时，将全桥施工过程共划分70 个施工阶段。为了对主梁及拱肋在施工过程中的受力性能进行重点研究，本文选择对6 个主要施工阶段的截面应力进行分析。其中，连续梁部分的受力性能分析选择了6 个施工工况，分别包括中跨合拢浇筑、中跨合拢段预应力张拉、拱肋安装、灌注拱肋混凝土、吊杆安装以及二期恒载施工完成阶段。拱肋受力性能分析则选择主梁分析工况中的后5 个施工阶段进行重点研究，本文选择的主要施工阶段分别如表1所示。

主要施工工况及顺序表1

3 主桥施工阶段受力性能分析

结合邳州跨京杭大运河特大桥空间有限元模型，通过MIDAS 软件对主桥在中跨合拢浇筑、中跨合拢段预应力张拉、拱肋安装、拱肋混凝土灌注、吊杆张拉以及二期铺装完成等六个主要施工阶段的应力水平进行分析，主桥整体应力分布结果分别如图3（a）～（f）所示。通过图3 可以发现，主梁、拱肋在不同施工阶段的应力状态持续发生变化，因此，对大跨度梁拱组合体系进行施工阶段应力分析是保障该类桥梁施工质量的一项重要措施。

图3 主梁截面应力分布示意图（单位：MPa）

3.1 主梁受力性能分析

对于大跨度梁拱组合体系桥梁，主梁主要承受桥面活载以及拱肋的拉轴向拉力，其成桥线形及受力状态直接影响到该类桥梁的安全运行，因此，对主梁在施工过程中的应力进行监测就显得十分必要[4～5]。通过章节2 中建立的空间有限元模型，并对主梁L/4、L/2 以及3L/4处截面，在上述6 个主要施工节段的应力状态进行计算，结果如表2 所示。通过表2可以发现，主梁在6个主要施工阶段中，均表现为全截面受压状态，符合设计要求。通过对比三个关键截面的应力状态发现，在二期铺装完成前，中跨主梁L/2 截面应力最小，在L/4 和3L/4 处截面应力较大，最大压应力出现在中跨合拢浇筑阶段，应力值为-5.76MPa。当二期铺装完成阶段，由于铺装荷载的影响，跨中截面出现最大压应力，应力值为-8.65MPa。通过上述分析可知，在该桥的整个施工过程模拟中，主梁始终以全截面受压为主，且最大压应力均小于C55 混凝土的容许应力值[σc] =-14.8MPa，满足设计要求。

主要施工阶段系梁L/4、L/2以及3L/4处截面应力（MPa）表2

3.2 拱肋受力性能分析

拱肋作为大跨度梁拱组合体系桥梁的重要承重构件，对其关键截面进行施工过程应力控制是确保主桥施工质量的前提[5]。因此，基于该桥的施工特点，本文选择对4 个主要施工阶段拱肋的应力状态进行分析，选择的施工工况分别为拱肋安装工况、灌注拱肋混凝土工况、吊杆张拉工况以及二期铺装等4 个施工工况。分别选取拱脚、拱肋L/4 和3L/4 处以及拱顶处截面作为拱肋的关键受力截面，利用有限元模型对关键截面处的受力状态模拟，计算结果如表3 所示。通过表3 的计算结果可知，在钢管混凝土灌注完成之后，拱肋在混凝土自重的影响下，截面压应力显著增高，最大压应力出现在拱脚处，应力值为-44.4MPa；在吊杆张拉力的影响下，拱肋截面的应力进一步增加，拱脚处最大压应力为-47.6MPa；当二期铺装完成之后，拱脚压应力达到最大，最大压应力值为-57.8MPa，小于Q345qD 钢材的容许应力值[σ]=200MPa。综上所述，在主桥的施工过程中，拱肋的截面压应力均小于截面的允许应力值，符合设计要求，其中，由于拱脚处截面构造较为复杂，且承受来自拱肋及吊杆传递的压应力。因此，对拱脚截面的应力监测应成为大跨度连续梁拱组合体系桥梁施工控制的一项重要内容[6]。

主要施工阶段拱肋L/4、L/2以及3L/4处及拱脚截面应力（MPa）表3

3.3 吊杆索力分析

在大跨度梁拱组合体系桥梁施工过程中，吊杆内力的变化对主梁和拱肋的应力分布有着显著影响，在施工过程中，吊杆内力的变化对系梁和拱肋受力状态有着显著影响，不同的吊杆索力组合可同时引起主梁和拱肋的内力重分布，从而导致主桥的实际成桥状态与设计不符[7～8]，因此，吊杆张拉工况为该类桥梁施工的关键阶段。在吊杆张拉前，应以吊杆索力设计值为目标索力，利用有限元模型对主桥施工过程进行正装迭代，待模型最终计算的成桥索力值与设计索力值误差控制在5%以内时，将该施工阶段模型的吊杆索力初张拉值用于实际桥梁施工过程中吊杆索力张拉值，计算的吊杆索力值如图4所示。全桥共设置16对吊杆，其中，吊杆编号S1～S16依次为小里程桩号至大里程桩号的吊杆。由图4可知，主跨跨中的吊杆初张力值最大，张拉值为1025.3kN，从跨中到拱脚处，索力值均匀降低，最小吊杆索力张拉值为764.0kN。在二期铺装完成之后，通过有限元模型计算的吊杆索力值如图5 所示。通过图5 可以发现，在二期恒载作用下，跨中部分吊杆索力分布比较均匀，最大索力为1050.0kN，而拱脚处索力值变化较小，成桥索力值为780kN。在二期恒载作用下，主梁跨中竖向挠度最大，主梁挠度值从主梁跨中向拱脚处逐渐降低，导致吊杆索力发生重分布，因此，可知合理的吊杆初拉力设置对于拱桥成桥状态下的受力性能有着重要影响，避免在施工过程中出现应力过大的问题[5]。