飛燕式異型鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工關(guān)鍵問題

陳銳

摘要: 鋼管混凝土拱橋因其自重輕、強(qiáng)度高、節(jié)省材料、施工方便、造價低及外形美觀而成為大跨度橋梁的一種主要形式。長春市伊通河大橋是一座在建的三跨飛燕式異型拱橋，總跨度260m，其中主跨為158m的異型鋼管混凝土拱橋。本文介紹了伊通河大橋的結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計及施工關(guān)鍵問題；利用考慮應(yīng)力累積的方法計算了主拱肋的預(yù)拱度，為施工監(jiān)測提供了依據(jù)；制定了該橋V構(gòu)箱梁施工的支撐布置方案，并利用有限元數(shù)值程序MIDAS對該方案進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；施工；支架；水化熱；預(yù)拱度

伊通河大橋工程概況

102國道跨伊通河橋梁工程是長春市四環(huán)路排水橋梁互通工程的一個重要組成部分，橋梁總長740m，包括跨伊通河主橋和兩岸引橋。主橋為三跨飛燕式異型拱橋，跨度組合為51+158+51m，兩岸引橋長度均為240m。該項目道路等級為城市Ⅰ級主干道，設(shè)計車速60km/h。橋?qū)?0m，按雙向八車道設(shè)計，兩側(cè)設(shè)人行道（見圖1）。

主跨拱肋按構(gòu)造和使用功能分為主拱肋和穩(wěn)定拱肋，二者通過斜撐和橫撐形成空間結(jié)構(gòu)體系（見圖1），增強(qiáng)了飛燕式異型拱橋的藝術(shù)表現(xiàn)力。主拱肋拱軸線是位于豎直平面上的二次拋物線，計算跨徑158m，矢跨比為1/4.23，拱肋截面采用三根圓鋼管形成的組合截面，內(nèi)灌C50混凝土 [1]；兩側(cè)穩(wěn)定拱肋拱軸線均為二次拋物線，計算跨徑120.5m，拱肋平面內(nèi)的矢高為29.9773m，穩(wěn)定拱平面與豎直平面夾角為21.80。系桿布置在中央分隔帶區(qū)域橋面上，兩端錨固于邊跨混凝土箱梁梁端橫梁處梁頂錨體之上，錨體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土，錨體及拱座處埋設(shè)系桿預(yù)埋鋼管。

伊通河大橋主橋主跨與兩邊跨形成了三部分的受力主體。在整個受力體系中，V構(gòu)前腿作為鋼管混凝土拱肋的延伸，承擔(dān)了較大的軸力與彎矩作用；V構(gòu)后腿作為邊跨鋼筋混凝土箱梁的支撐，在與箱梁的交點處承受豎向力的作用。為了平衡拱肋產(chǎn)生的水平推力，伊通河大橋主橋在邊跨混凝土箱梁梁端設(shè)置了6根水平系桿，系桿與主跨、邊跨及主拱墩構(gòu)成拱橋的四個基本組成部分，在受力過程中相互影響、相互依存。

由此可見，伊通河大橋主橋設(shè)計采用三跨飛燕式異型拱橋的結(jié)構(gòu)形式，在美觀新穎的同時也帶來結(jié)構(gòu)的特殊性與復(fù)雜性。尤其在拱橋施工過程中，結(jié)構(gòu)體系隨著施工方法與施工步驟的變化亦有較大改變，必須對所選施工方案進(jìn)行深入細(xì)致地分析才能保證整個施工過程安全順利地完成。

伊通河大橋有限元模型

本文采用大型通用軟件MIDAS/CIVIL2006建立了伊通河大橋主橋的有限元模型。模型中拱肋、V構(gòu)、承臺以及樁體均采用梁單元建模，系桿和吊桿采用只受拉桁架桿單元模擬，樁土共同作用則采用彈簧單元考慮。

V構(gòu)建模考慮了混凝土箱梁截面漸變的特殊形狀（見圖2），箱梁內(nèi)部按設(shè)計要求配置預(yù)應(yīng)力鋼絞線。鋼管混凝土拱肋截面則利用共用節(jié)點的方法模擬（見圖3），該方法既能保證鋼管和混凝土按相應(yīng)材料本構(gòu)模型輸入，又能確保鋼管混凝土截面可以協(xié)同工作。

主拱肋預(yù)拱度設(shè)置

拱肋是拱橋的核心受力構(gòu)件，拱肋線型是影響拱肋受力性能的重要因素[2]。預(yù)拱度是拱軸線計算的重要依據(jù)，是拱肋鋼管在工廠預(yù)制加工的前提條件。只有準(zhǔn)確計算拱肋的預(yù)拱度，才能保證拱肋在運營階段處于合理拱軸線。為了精確地得到拱肋的預(yù)拱度，必須根據(jù)施工過程，考慮應(yīng)力累計逐步計算得到拱肋在完成施工后的最終變形，并反推相應(yīng)的預(yù)拱度。

本文針對伊通河橋拱肋實際施工方案計算了拱肋的變形如表1。由表1可見，拱肋在澆注混凝土?xí)r變形最大，為62.3mm；其次是拆除箱梁支架工況，變形為46.2mm。拱頂在施工完成后累積變形（預(yù)拱度）為136.2mm。

表1各施工工況下主拱肋拱頂變形

伊通河大橋V構(gòu)施工支架受力分析

4.1支架計算模型介紹

伊通河大橋V構(gòu)采用支架法施工，支架采用Φ299×8的鋼管作為立柱，I45a工字鋼作為縱向傳力梁，立柱與傳力梁焊接形成空間受力體系。縱、橫向采用槽鋼連接保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

根據(jù)實際施工方案可知，混凝土澆注過程中，混凝土濕重將通過型鋼支架體系傳遞至基礎(chǔ)與拱座。由于V構(gòu)混凝土體積龐大，混凝土自重荷載作用十分顯著，因此支架體系的受力任務(wù)較為艱巨；此外，由于V構(gòu)的造型特殊，混凝土自重荷載將對支架產(chǎn)生較大的水平推力，使型鋼支架體系受力更為復(fù)雜，必須充分作好防護(hù)措施，以保證施工安全順利地進(jìn)行。

為提高型鋼支架體系的水平剛度，一方面將工字鋼梁與拱座預(yù)埋鋼板焊接以抵抗混凝土澆注時對支架體系的水平推力，另一方面在傳力梁下部設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索以減輕預(yù)埋鋼板處的拉力。本文利用MIDAS軟件對支架體系進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，分析了無預(yù)應(yīng)力拉索和施加預(yù)應(yīng)力拉索時支架體系的受力性能，并根據(jù)計算結(jié)果給出了預(yù)應(yīng)力的張拉方案。

4.2 支架計算結(jié)果分析

有無預(yù)應(yīng)力拉索情況下支架受力情況如表2所示。由表2可見，無預(yù)應(yīng)力拉索時傳力梁端部節(jié)點最大拉力達(dá)到51tonf，較大的拉力易造成該節(jié)點首先破壞，進(jìn)而導(dǎo)致支架體系縱向傾覆。采用預(yù)應(yīng)力拉索后，支架體系的整體受力性能得到明顯改善，傳力梁端部節(jié)點拉力大大降低，且形成了體系承擔(dān)水平荷載的第二道防線，因此該措施效果顯著。為了保證施加預(yù)應(yīng)力時結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，建議分級張拉預(yù)應(yīng)力共60tonf，每次張拉10~20tonf，且在張拉過程中不斷監(jiān)控錨固點變形及傳力梁端部節(jié)點最大拉力。

表2 有無預(yù)應(yīng)力拉索情況下支架受力情況列表

結(jié)論

本文介紹了飛燕式鋼管混凝土拱橋設(shè)計和施工的關(guān)鍵問題，并結(jié)合伊通河大橋分析了V構(gòu)支架受力性能，得到結(jié)論如下：

1. 鋼管混凝土拱肋的最終變形是拱肋在不同施工階段下變形結(jié)果的累積，因此計算時需要考慮施工過程中結(jié)構(gòu)剛度不斷調(diào)整對拱肋變形的影響；

2. V構(gòu)形狀的特殊性決定了其施工的復(fù)雜程度，尤其是混凝土濕重引起的水平推力更成為了支架設(shè)計的控制因素；采用預(yù)應(yīng)力拉索改善支架體系的受力性能不但顯著降低了傳力梁端節(jié)點的拉力和支架整體變形，且預(yù)應(yīng)力拉索可以作為體系第二道防線以抵抗水平荷載，提高結(jié)構(gòu)的可靠度；

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。