某鋼管混凝土拱橋施工過程模擬分析

摘 要：鋼管混凝土能實現大跨度拱橋經濟、省料、安裝方便和后期承載力高的目標，對于鐵路橋梁有著獨特的優勢。但由于鋼管混凝土理論研究滯后于工程實踐及施工技術，工程中出現不少問題。因此，對鋼管混凝土結構施工技術的研究具有實際意義。本課題以向莆鐵路某鋼管拱特大橋為依托，對六四軍用梁平臺搭設鋼管骨架、四環六面法澆筑混凝土、橋面荷載等施工過程，利用MIDAS CIVIL軟件進行模擬和計算。

關鍵詞：鋼管混凝土；勁性骨架；軍用梁平臺

1 工程概況

本橋位于福建省尤溪縣境內，屬于沿海內陸地區，本橋于DK400+806～DK400+916處跨越尤溪，河道與線路夾角為90°。（1）主要技術標準：鐵路等級：Ⅰ級；正線數目：雙線；設計速度：200km/h；正線線間距：4.6m；設計荷載：中-活載。（2）孔跨布置：孔跨布置：1-24m簡支T梁+1-140m拱橋+1-32m簡支T梁；橋全長：222.2m。

2 軍用梁平臺、勁性骨架及混凝土結構MIDAS模型建立

2.1 軍用梁平臺實際構造簡化

軍用梁為銷接剛結構，標準三角及端構架單元內部焊接，單元與單元之間為銷接。若只考慮主要桿件受力可將其簡化為完全鉸接形式，且其力學行為與實際模型也較為貼近。對于銷結結構，其內力分布同桁架結構，其控制內力為桿件的軸力。因此，若忽略銷孔位移和非彈性變形可將其簡化為鉸接。軍用梁平臺采用直接拼裝的方法進行施工，在模擬拼裝過程中，邊界條件簡化為一般支撐，將施工過程分為7個階段，通過MIDAS/CIVIL的“激活”、“鈍化”功能將以上約束條件在某一施工階段激活或鈍化，來實現真實模擬該施工階段的邊界條件。吊裝過程在模擬中不考慮。

2.2 勁性骨架實際構造簡化

拱肋勁性骨架的拼接是在軍用梁平臺上直接完成的。由于平臺強度、剛度都比較大，在進行荷載模擬時，直接簡化為上部均布荷載，不再考慮施工荷載。上部荷載包括模板和勁性骨架的自重。

2.3 混凝土澆筑過程的簡化

拱肋勁性骨架拼裝完成后，將軍用梁平臺進行拆除?；炷翝仓诠羌苌线M行施工，骨架在拱腳處的采用一般約束，澆筑過程采用四環六面法。將混凝土截面分成四層進行模擬計算，而考慮鋼管混凝土是一種組合結構，分別按鋼和混凝土構件進行截面特性計算，最后兩者疊加方法是把鋼管和管內核心混凝土作為兩個平行桿件來計算，不考慮兩者的聯合作用，該計算理論相對成熟。（見圖2）

2.4 立柱和橋面荷載的簡化

在混凝土澆筑完成后，在結構上添加上立柱模型。然后將橋面結構簡化成均布荷載施加到結構模型上，行車荷載及其他荷載按鐵路橋梁規范最后添加到模型上。

3 模型結果分析

3.1 軍用梁平臺模型剛度和強度分析

軍用梁平臺采用直接拼裝法，纜索采用Strand1860。平臺加載上模板和拱架要進行整體驗算，將模板拱架簡化為粱單元均布力，值為0.5ton/m2。而鋼拱架同樣簡化為梁單元均布力，值為1.5ton/m2。整個施工過程分為7個階段，平臺加載上模板和拱架要進行整體驗算。通過對模型各階段應力和位移的計算，與加強型六四式鐵路軍用梁基本桿件的斷面特性和承載能力比較，無論是應力還是位移均未超出相應控制值?？梢缘玫浇Y論：軍用梁平臺拼裝過程是安全的。

3.2 軍用梁平臺模型受壓桿件穩定性分析

由于軍用梁平臺受壓桿件的計算長度比較大，必須對桿件的穩定性進行驗算分析。另外，桿件除了承受軸向力外同樣承受建立的作用，所以有必要對各階段的剪力進行分析。表格1、2、3是軍用梁平臺模型受壓桿件穩定性及剪力分析結果。

其中，表2為各階段桿件N1和N6所受最大壓力和對應應力統計結果，由σ=N/（ΦA）

由結果分析知軍用梁平臺模型受壓桿件穩定性上符合規范要求，各桿件剪力也在桿件承載范圍內。

3.3 混凝土澆筑過程施工模型計算分析

在MIDAS中各施工階段模擬后，最后施工階段梁單元應力如圖3所示。

將MIDAS的計算結果處理分別篩選出正應變、切應變最大的桿件，得出以下結論：

（1）桿件最大組合應力出現在澆筑第三環混凝土時，大小為278MPa，不超過Q345鋼材的容許值。（2）結構最大的形變量為6.3cm，相對于140m的跨度來說，相對形變僅為1/2220，形變量很小，對使用階段產生的影響很小。（見表4）

3.4 橋面荷載基于MIDAS軟件的仿真模擬和計算

本模型中橋面荷載主要包括2個車道荷載、1個車輛荷載即我國現行鐵路標準荷載“中-活載”以及1個移動荷載工況。模型計算結果如下：（1）施加橋面荷載后的梁單元的變形X=6.472×10-3m，Y=2.93×10-3m，變形相對與全長已經可以忽略不計。（2）運營階段主要桿件組合應力均在Q345鋼材應力容許值范圍內。

4 結束語

利用軍用梁平臺進行鐵路勁性骨架混凝土拱橋的施工，能夠實現結構簡單、拼組方便、適應性強、機械化作業程度要求低等優點。另外，結構的強度和剛度能很好的滿足實際要求，并且拱橋骨架的精度有明顯的提高，在實際施工中有著獨特的優勢。在綜合效益上也有一定的競爭力。軍用梁平臺的使用在鐵路勁性骨架混凝土拱橋施工中被廣泛使用，文章對該方法做了詳細的分析并得到一些結論，但仍有許多方面需要進一步研究：（1）文章僅在理論模型范圍內做了一些分析，有些東西跟實際是有偏差的，例如軍用梁平臺的橫向連接就進行了一定簡化。（2）文章沒有考慮拉索滑輪的影響，在MIDAS不能很好的將其模擬出來。另外，拱腳約束由于拱橋的跨度并不是太大，直接固結對結構的分析是有一定影響的。（3）文章階段施工過程中，荷載的施加有些地方存在爭議，對最后結論得出尚存在一定影響。因此需要更深層次的了解實際施工過程，對模型進一步完善，有限元計算工具需要深入研究，才能更好的對當前的實際工程進行指導。

參考文獻

[1]段樹金，李壽英，劉嘉武.六四梁單元分析及對六四梁拼組結構強度設計的討論[J].鐵道工程學報，2002，34～37

[2]黃武.鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋鋼結構施工技術[J].鐵道工程學報，1999（3）：34～37.

[3]周光忠，蘇國明，李書斌.用六四式軍用梁作拱架施工拱橋的幾項施工技術[J].鐵道建筑技術，1998（5）：23～25.

[4]劉鵬.鋼筋混凝土箱形拱橋 現澆施工分環方案比較[J].北方交通，2008（7）：106～108.