刚构桥0#块上建立临时塔架细部分析

刘君静

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

在拱桥的施工过程中通常会采用缆索吊装与斜拉扣挂相结合的方法，该方法具有对航道影响较小、跨越能力大、适用性较强的优点[1-2]。施工中为了架设缆索系统通常需要布置较高大的塔架，塔架作为支撑缆索受力的主要装置，通常需要布设在稳固的地面或基础上[3]。而实际的设计当中，临时塔架布设在混凝土刚构引桥的情况并不少见[4-5]，而对于超过500 m的大跨径拱桥施工，塔架底部与刚构桥锚固区域的内力较大，不能满足施工安全要求[6]，因此有必要考虑塔架对混凝土刚构桥的影响。

本文以某大跨径拱桥为例，分析拱肋吊装全过程施工阶段中临时塔架对引桥的受力情况，并探讨此类结构的局部优化设计处理方法，为以后同类设计提供有益参考。

1 工程概况

某特大桥位于广西河池市境内，桥梁全长2 488.55 m(如图1所示)，其中主桥长624 m，采用上承式劲性骨架混凝土拱桥方案，计算跨径为600 m，桥面总宽为24.5 m。南丹岸引桥为(4×40 m)先简支后连续混凝土T梁+(72 m+135 m+72 m)预应力混凝土连续刚构桥；下老岸引桥分为1#引桥和2#引桥，其中1#引桥为(72 m+135 m+72 m)预应力混凝土连续刚构桥+3×(4×40 m)先简支后连续混凝土T梁，2#引桥为(3×40 m)+(4×40 m)先简支后连续混凝土T梁+(72+135+72)m预应力混凝土连续刚构+2×(3×40 m)先简支后连续混凝土T梁。主桥桥面系采用40 m预应力混凝土T梁，主墩、交界墩为矩形空心墩，拱座采用明挖扩大基础；引桥桥墩为圆墩和矩形实心墩或空心墩，桩基础；桥台为桩柱式桥台或板式支座桥台。

2 临时塔架设计

主桥劲性骨架的吊装施工拟采用分块吊装法，该施工方法需要建立较高的临时塔架，对拱肋施工过程中起到临时支撑的作用。主桥桥位处于峡谷位置，基于此提出一种落在高墩刚构引桥0#块的临时塔架结构(见图2)，以减少施工临时措施使用的资源，在完成墩身及0#块施工后开始安装临时塔架及拉索。参考国内外类似工程发现，本次拱肋的安装施工具有跨径大、劲性骨架重量大、扣塔锚点高的特点，这些特点导致了位于引桥扣塔底部及引桥顶板在施工阶段会产生较大的弯矩及轴力，从而引起刚构桥顶板局部受力增大。本文将从以上背景出发，分析施工阶段扣塔对刚构桥受力的影响。

图1 桥梁立面图

图2 临时塔架设置示意图

3 模型的建立

3.1 杆系模型

劲性骨架节段按构件运输长度和吊装重量控制划分为48个吊装节段及2个合龙段，最大节段吊装重量(含底模)为200 t。劲性骨架截面图见图3。拱肋节段悬拼时，其自重荷载通过扣索力平衡。

图3 劲性骨架截面图(mm)

杆系模型的优化以塔架水平偏位及塔底弯矩为控制目标，进行背索索力的优化计算，根据桥梁实际情况建立轴对称模型(见图4)。采用Midas Civil 2020进行施工阶段有限元计算分析，模型共划分3 432个节点，桁架单元96个，梁单元7 280个。劲性骨架松索后至成桥状态阶段考虑如下：

(1)劲性骨架、钢管混凝土塔架、上部结构刚构、T梁均采用梁单元模拟，扣索采用桁架单元进行模拟。

(2)考虑施工阶段混凝土收缩徐变效应。

(3)考虑结构非线性效应，未考虑材料非线性效应。

图4 劲性骨架悬拼施工扣塔计算模型图

3.2 局部模型

本文采用ABAQUS 2016有限元分析软件建立单幅0#块及1#梁段的局部有限元实体单元模型(见图5)，模型包含154 826个节点，133 180个单元，实体单元采用C3D8R减缩积分单元。由于引桥桥墩的刚度较大，本文不考虑桥墩变形的影响，仅考虑桥墩对0#块的约束作用。模型包含刚构桥主梁结构及钢管混凝土塔柱底部连接段。

图5 刚构桥有限元局部计算模型图

4 塔底局部计算

4.1 塔底内力计算

在拱肋悬拼吊装施工过程中，塔架底部内力处在一个动态变化的过程中，除了自重及风荷载外，索力的大小是影响塔架底部内力的关键因素。本文以裸拱+底板钢筋在自重作用下的线形作为目标控制线形，在合龙松索后的线形和目标线形之差控制在合理范围内的前提下，优化计算各节段(包括底板钢筋)扣索力。架底部内力通过杆系单元模型计算，共计24个工况，其中内力最大工况为合龙前拱肋最大悬臂工况。内力计算结果如表1所示。

表1 杆系模型塔底内力计算结果表

4.2 塔底局部应力计算

将表1中的内力值输入到局部实体模型当中，用于模拟悬拼施工过程中塔底对0#块的影响，将上述内力施加于相应的控制点上，并将控制点通过点-面耦合的方式约束到塔架底部钢管混凝土截面上。下页图6是0#块的最大主拉应力云图。由图6可以看出，由于塔架外侧钢管混凝土处在0#块悬臂区域上，导致顶板受拉，且受拉区域贯穿顶板截面。通过计算得到0#块顶板最大主拉应力值出现在塔底混凝土翼缘板区域，最大值为10.95 MPa，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[7]，顶板最大主拉应力远大于规范允许值1.96 MPa的要求，危害施工安全。

图6 0#块最大主拉应力云图

5 塔底结构优化计算及分析

5.1 塔底分配梁结构优化

为了保证0#块的施工安全，对0#块底部进行局部加固措施：在钢管混凝土底部加装钢结构分配箱梁；混凝土垫层留出部分空隙以减小力臂(如图7所示)。分配梁腹板采用高1 m的腹板以提供足够的抗弯刚度，另外在分配梁底部设置锚固体系与混凝土垫层进行锚固。为了验证加固后整体结构的安全性，本节在原有有限元局部模型的基础上建立加固后的0#块有限元分析模型(如图8所示)，模型中分配箱梁采用S4R壳单元模型模拟。为了更好模拟分配箱梁与0#块的实际接触方式，模型中分配箱与混凝土垫层采用面-面接触模型(可接触分离)，并按照图纸实际位置建立锚钉与混凝土垫层锚固。

图7 0#块局部加固示意图(m m)

图8 加固后0#块有限元分析模型图

5.2 塔底局部优化计算及分析

5.2.1 塔底分配梁应力分析

塔底分配梁作为传递塔架底部轴力及弯矩的结构，在塔架底部附近受到较大的外力作用，在塔架附近顶板、底板及腹板处存在一较大应力集中区域，最大应力为273.2 MPa，位于底板附近十字形腹板处(见图9)；腹板最大应力为225.8 MPa，均满足设计要求(见图10)。

图9 塔脚局部横梁应力云图(Pa)

图10 塔脚横梁腹板应力云图(Pa)

5.2.2 塔底混凝土应力分析

如图11所示，混凝土垫层存在一个压应力较大区域，位于横梁与混凝土垫层接触区域最大压应力为25.14 MPa，小于C55混凝土抗压强度设计值25.3 MPa，满足设计要求。

图11 混凝土垫层最大压应力云图(Pa)

如图12所示，混凝土垫层存在两处拉应力较大区域，位于腹板上方混凝土顶板区域及锚固区，腹板上方混凝土垫层顶部最大主拉应力为1.46 Ma，锚固区混凝土主拉应力为4.00 MPa，大于C55混凝土抗拉强度设计值1.96 MPa。对此，可在施工时对局部加装防崩钢筋等措施避免混凝土拉裂。

图12 混凝土垫层最大主拉应力云图(Pa)

图13 0#块最大拉应力云图(Pa)

优化后可改善混凝土垫层及0#块局部受力。从图13可以看出，优化0#块的最大主拉应力减小为1.37 MPa，满足设计要求，说明该分配梁结构能够较好地改善塔底混凝土的局部受力，降低施工风险。

6 结语

本文针对采用引桥缆索系统的大跨径拱桥施工时连续刚构引桥在临时塔架外力作用下钢筋混凝土顶板出现较大的拉应力问题，提出了采用临时塔底分配梁加固的方法，并对该方法的可行性进行了计算分析：(1)分别建立了结构的杆系模型和加固前后的实体模型；(2)通过杆系模型对拱桥施工过程中进行计算，得到塔底最大内力出现的施工工况；(3)通过实体模型对结构进行了局部受力分析，包含分配梁应力和塔底附近混凝土应力分析。分析结果表明，临时分配梁加固连续刚构桥顶板的施工方法在引桥缆索系统上是可行的。