大跨径上承式钢管混凝土拱桥拱上建筑施工顺序优化

王发正 张馨

摘要：对大跨径上承式钢管混凝土拱桥拱上建筑施工顺序进行优化，采用有限元软件Midas/Civil对拱桥建模并进行数值模拟分析，计算施工方案1（从拱脚向拱顶架设拱上立柱，再从拱脚向拱顶架设T梁）、施工方案2（从拱顶向拱脚架设拱上立柱，再从拱顶向拱脚架设T梁）、施工方案3（从拱脚向拱顶方向同时架设拱上立柱和T梁）、施工方案4（从拱顶向拱脚方向同时架设拱上立柱和T梁）等4种方案下主拱圈控制截面的位移、应力和稳定性。在保障工程施工安全的前提下，遵循对称加载的原则，优化调整拱上建筑施工顺序。结果表明：成桥后施工方案3的位移和应力最小，且施工拱上建筑中，位移和应力变化幅度最小，施工方案3为最优施工方案。施工方案3对应的施工顺序满足结构施工安全的要求，且拱上立柱和桥面T梁可同步施工，有效缩短施工周期。

关键词：上承式钢管混凝土拱桥；数值分析；施工顺序；优化

中图分类号：U445.47文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）02-0067-07

引用格式：王发正，张馨.大跨径上承式钢管混凝土拱桥拱上建筑施工顺序优化［J］.山东交通学院学报，2024，32（2）：67-73.

WANG Fazheng， ZHANG Xin. Construction sequence optimization for the construction of arch building on a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：67-73.

0 引言

近年来，随缆索吊装法的逐步成熟，钢管混凝土拱桥因力学性能优异、施工便捷和美观等优点广泛应用在中大型跨越结构中[1]。拱上建筑是上承式钢管混凝土拱桥的重要组成部分，直接承受并传递移动荷载[2-4]。对主拱圈已合龙的上承式钢管混凝土拱桥，拱上建筑的施工影响主拱圈的位移、内力及稳定性，同时主拱圈的变形也会对拱上建筑的位移和内力产生影响[5-6]。采用对称、均衡、多工作面加载的原则[7-8]优化拱上建筑施工顺序，改善桥梁结构受力情况，缩短施工周期，为施工单位提高经济效益和社会效益，对上承式钢管拱桥的施工有重要的现实意义。

周建庭等[9]、林春姣等[10]、吴艳丽等[11]提出基于影响线加载法调整拱上建筑工序，可显著提高拱桥的富余承载力。张博[12]、李玉忠等[13]、余钱华等[14]、宋俊杰等[15]提出拱上建筑施工应遵循对称施工、均匀加载的基本原则，必要时可分阶段、穿插进行，保证结构的安全和稳定。谢开仲等[16]、邓凤学[17]、尼玛卓玛[18]通过优化加载程序改善桥梁受力，缩短施工周期。李献等[19]、雷盼等[20]优化拱上建筑的加载顺序，并应用到拱式渡槽。但优化拱上建筑施工顺序的相关文献较少且研究时间较早。

本文在某钢管混凝土拱桥拱圈合龙后，采用有限元软件Midas/Civil建模，按对称原则优化拱上建筑施工顺序，以期改善主拱圈的变形、受力状态，有效缩短施工周期，让桥梁施工更加高效和经济。

1 工程概况

某上承式钢管混凝土拱桥的计算跨径为330 m，矢跨比为1/5；拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.543，桥梁结构如图1所示。拱上立柱采用排架式矩形钢箱结构，各柱肢分别固定于拱肋上弦杆上，沿立柱高度方向，按标准间距每隔8 m设置1道柱系梁。采用工厂分段制作、加工，现场分段吊装、焊接的方式安装立柱。立柱盖梁采用矩形薄壁变截面钢箱结构，采用工厂分段制作、加工，运至现场焊接成整体后再进行吊装的方式安装。桥面系采用25 m跨装配式预应力混凝土T梁，每幅桥每孔布置5片T梁，结构简支桥面连续，拱上建筑布置及编号如图2所示。

2 拱上建筑施工顺序

在主拱圈合龙并灌注混凝土后，原设计方案遵循对称均匀的原则架设拱上立柱和盖梁，从两岸向跨中对称吊装就位后焊接；遵循对称原则架设拱上车行道预制T梁时，即顺桥向从拱脚向拱顶，横桥向从中间向两侧架设。

该拱桥的施工周期短，作业量大。为保证全线在规定时间内通车，在保障工程施工安全的前提下，遵循对称加载的原则，优化调整拱上建筑的施工顺序。在拱上建筑施工前，拟定不同的拱上建筑施工顺序方案，计算分析不同施工方案下主拱圈等的应力、位移和稳定性。根据计算结果选择最优施工顺序，在后续施工中监控主拱圈的应力及位移，保证桥梁在拱上建筑施工过程中的安全性，保证拱肋线形满足设计要求。

根据立柱和桥面系T梁布置拟定4种施工方案，每个施工方案均由14个步骤组成。施工方案1为从拱脚向拱顶架设拱上立柱，再从拱脚向拱顶架设T梁。施工方案2为从拱顶向拱脚架设拱上立柱，再从拱顶向拱脚架设T梁。施工方案3为从拱脚向拱顶方向同时架设拱上立柱和T梁。施工方案4为从拱顶向拱脚方向同时架设拱上立柱和T梁。拱上建筑施工顺序如表1所示，4种施工方案在2种施工顺序下的施工示意图如图3～6所示。

3 计算分析

3.1 有限元模型建立

采用有限元软件Midas/Civil根据设计图纸建模并计算分析，全桥可划分为6 128个节点和7 010个梁单元。采用施工阶段联合界面模拟拱圈管内混凝土，考虑混凝土收缩徐变，每个施工步骤为14 d。拱脚处约束简化为固结约束，T梁与拱上立柱采用刚性连接。拱桥有限元模型如图7所示。

根据表1拟定的4种拱上建筑施工顺序完成灌注混凝土后，将4种施工方案均划分为14个施工阶段，分别代入拱桥有限元模型计算。因拱桥结构沿纵桥向对称，对比分析主拱圈L/8、L/4、3L/8和拱顶截面的挠度、应力和稳定性。

3.2 位移结果分析

完成桥面铺装后，各施工方案主拱圈控制截面的位移如表2所示。由表2可知：完成桥面铺装后，施工方案3拱顶的位移最小，为-374.8 mm；施工方案1拱顶的位移略大于施工方案3；其次是施工方案2，施工方案4拱顶的位移最大，比施工方案3大18.8 mm。各施工方案下主拱圈控制截面位移相差不大，施工方案3略优于其他施工方案。

施工过程中，各施工方案主拱圈控制截面的最小位移和最大位移如表3所示。

由表3可知：在拱上建筑施工中，施工方案3拱顶的最小位移最小，为-147.3 mm；其次是施工方案1，略大于施工方案3，为-170.4 mm；施工方案2和施工方案4变化幅度相同，相较于施工方案3，拱顶的最小位移相差86.7 mm；施工过程中主施工方案3拱圈控制截面变化的最小位移优于其他施工方案。在拱上建筑施工中，施工方案3拱顶的最大位移最小，为-374.8 mm；施工方案1结果略大于施工方案3；其次是施工方案2，位移最大的是施工方案4，相较于施工方案3，拱顶最大位移相差48.0 mm。施工过程中施工方案3主拱圈控制截面变化的最大位移优于其他施工方案。

3.3 应力结果分析

完成桥面铺装后，各施工方案主拱圈拱肋截面的应力如表4所示。

由表4可知：完成桥面铺装后，施工方案3拱顶的应力最小，为-105.7 MPa；施工方案1的结果略大于施工方案3；应力最大的是施工方案4，相较于施工方案3，拱顶应力大7.2 MPa；完成桥面铺装后，各施工方案主拱圈控制截面应力结果相差不大，施工方案3略优于其他施工方案。

施工过程中，各施工方案主拱圈控制截面的最小应力和最大应力如表5所示。由表5可知：1）施工方案3拱顶的最小应力最小，为-54.3 MPa；施工方案1为-58.8 MPa，略大于施工方案3；施工方案2和施工方案4相同，相较于施工方案3，拱顶的最小应力大9.0 MPa。施工过程中主拱圈控制截面的最小应力相差不大，施工方案3优于其他施工方案。2）施工方案3拱顶的最大应力最小，为-123.3 MPa；施工方案1的最大应力略大于施工方案3；变动最大的是施工方案4，比施工方案3大8.4 MPa。施工过程中主拱圈控制截面变化的最大应力，施工方案3优于其他施工方案。

3.4 稳定性结果分析

采用有限元软件Midas/Civil计算4种施工方案下施工过程的屈曲模态特征值，结果如图8所示。

由图8可知：4种施工方案的最小1阶稳定系数均为7.9，大于安全系数4[21]，说明各方案施工过程中稳定性较高。原因是主拱圈合龙后，拱桥结构转变为超静定结构，主拱圈稳定性较高。施工方案2的平均稳定系数最大，其次是施工方案1，施工方案3、4相对偏小，但施工方案3波动较小，更平稳。

钢管混凝土浇筑结束达到混凝土强度后，该拱结构为弹性超静定拱结构，若不考虑混凝土的收缩徐变，无论拱上建筑施工顺序如何变化，成桥后的位移和应力都不会改变。但在拱圈内浇筑混凝土后，管内混凝土与钢结构拱圈共同受力，管内混凝土存在收缩徐变。模拟施工过程时考虑了混凝土的收缩徐变[22-25]。不同的施工过程造成拱桥结构在施工时位移和应力的累积。但在稳定性分析中，各施工工况为独立模型，成桥后的结构稳定系数相同[26-28]。

综合考虑主拱圈控制截面位移和应力，成桥后施工方案3的位移和应力最小，且拱上建筑施工过程中，位移和应力变化幅度最小，稳定性系数较高，为最优施工方案。施工方案3对应的施工顺序满足结构施工安全的要求，且拱上立柱和桥面T梁可同步施工，有效缩短施工周期，施工更高效，更经济。

4 结论

1）拱上建筑施工顺序对拱肋的受力和位移有较大影响。拱上建筑施工需对称、均匀施工，使主拱圈受力均匀，保证拱圈的安全性。

2）拱上建筑的施工顺序由拱脚向拱顶方向推移，拱圈的受力和位移变化比由拱顶向拱脚方向推移变化小。沿拱脚向拱顶方向，同步施工立柱和T梁拱圈受力最优，其次是先施工立柱，后施工T梁。

3）在大跨度钢管混凝土拱上建筑施工前，须优化拱上建筑的施工顺序，以理论分析为基础，选取最优方案指导现场施工。在满足结构施工安全的同时，可有效缩短施工周期，施工更加高效和经济。

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Construction sequence optimization for the construction of arch building

on a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge

WANG Fazheng1， ZHANG Xin2

1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research ＆ Design Institute Co.， Ltd.， Chongqing 400067， China;

2.Chongqing Urban Construction Senior Technical School， Chongqing 402247， China

Abstract：In order to optimize the construction sequence of the upper arch structure of a large-span steel pipe concrete arch bridge， the finite element software Midas/Civil is used to model and numerically analyze the arch bridge. The displacement， stress， and stability of the main arch ring control section are calculated under four construction schemes： Scheme 1 （erecting the upper column from the arch foot to the arch crown and then the T-beam from the arch foot to the arch crown）， Scheme 2 （erecting the upper column from the arch crown to the arch foot and then the T-beam from the arch crown to the arch foot）， Scheme 3 （simultaneously erecting the upper column and T-beam from the arch foot to the arch crown）， and Scheme 4 （simultaneously erecting the upper column and T-beam from the arch crown to the arch foot）. Ensuring construction safety and following the principle of symmetric loading， the construction sequence of the upper arch structure Is optimized. Results show that after the bridge is completed， the displacements and stresses of Scheme 3 is the smallest with minimal variations during construction. The Scheme 3 is the optimal construction scheme. The construction sequence corresponding to Scheme 3 meets the safety requirements of structural construction， allowing simultaneous construction of the upper columns and bridge deck T-beams， effectively reducing the construction period.

Keywords：a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge; numerical analysis; construction sequence; optimization

（责任编辑：王惠）

收稿日期：2023-01-05

基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFF0217801）

第一作者简介：王发正（1993—），男，重庆人，工程师，工学硕士，主要研究方向为桥梁检测及健康监测，E-mail：923977154@qq.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.010