勁性骨架拱橋施工過程仿真分析

邸慶輝，張　健,劉山洪

(重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400070)

?

勁性骨架拱橋施工過程仿真分析

邸慶輝，張健,劉山洪

(重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400070)

以玻璃溝大橋為背景，采用Midas/Civil大型有限元分析軟件建模，根據擬定的施工順序對施工過程進行具體模擬分析，從中分析施工階段各截面應力、變形和穩定性，研究施工階段劃分的合理性。其成果將為拱橋施工提供理論依據及更好地指導后續施工。

勁性骨架；拱橋；仿真分析

隨著經濟的快速發展，西部山區需要大量的基礎設施建設，同時需要建設大量的橋梁，尤其是跨越兩個峽谷之間，而鋼管混凝土勁性骨架拱橋又適應時代的要求。鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁鋼管內而形成的一種組合結構，其基本原理是借助鋼管對混凝土的套箍約束作用[1]，使核心混凝土處于三向受壓狀態，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和更高的塑形變形能力。而套箍約束是在工程上，外部材料有效約束內部的橫向變形，從而提高內部材料的抗壓強度和變形能力。勁性骨架拱橋一般采用纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，施工難度大，且施工過程中的受力狀態發生著不斷變化。所以，有必要對其施工過程進行模擬分析。

1　工程背景

玻璃溝大橋為雅礱江兩河口水電站庫區復建縣道X037線溪工溝至尤拉西溝段的一座勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋。主孔為凈跨170 m，孔跨布置為3×13 m連續板+170 m勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋+20 m簡支空心板，拱橋總長247 m。主橋采用170 m上承式箱型拱橋，凈矢高34 m，凈矢跨比1/5，拱軸線型為懸鏈線，拱軸系數m=1.543。橋面全寬8 m。骨架采用φ377×12的Q345C的無縫鋼管作主骨架及Q345C的槽鋼作腹桿、平聯、橫聯桿件。橋型布置如圖1所示。

圖1　玻璃溝大橋橋型布置(單位:m)

2　施工方法

2.1肋勁性骨架吊裝

拱肋采用纜索吊裝斜拉扣掛法，從拱角到拱頂分5個工作面對稱吊裝施工。施工循序如圖2所示。

圖2　勁性骨架吊裝示意

2.2內灌C50混凝土

鋼管內灌混凝土順序：先灌注上弦管，再灌注下弦管；先灌注外側管，再灌注內側管。澆筑時應全橋對稱均衡加載。

2.3外包混凝土

拱圈總共分“三環八段”對稱澆筑，“三環”為底板混凝土、腹板混凝土、頂板混凝土，先對稱澆筑底板混凝土直至合龍，待混凝土達到強度后再對稱澆筑全部腹板混凝土至合龍。待混凝土達到強度后再對稱澆筑中箱底板混凝土至合龍，最后澆筑頂板混凝土至合龍。施工過程如圖3、圖4所示。

圖3　拱圈混凝土縱向澆筑順序

圖4　拱圈混凝土橫向澆筑順序

2.4拱上建筑施工

從拱腳到拱頂均勻對稱澆筑拱上立柱及蓋梁，并預埋空心板錨栓；空心板吊裝：縱向從拱腳至拱頂均衡對稱勁性，橫橋向每跨由中間向兩側依次安裝4片預制橋面板，形成通道及工作平臺，然后進行橋面連續，橋面鋪裝，人行道、欄桿和路燈的安裝，完成橋梁施工。

為保證結構的安全, 對涉及拱圈混凝土分段、分環澆筑施工進行了細化, 具體施工階段劃分見表1。

表1　施工程序

3　模型

模型仿真計算采用2015 Midas版本，建模采用梁-板組合模型[2]。全橋劃分2 369個節點，5 568個單元，其中包括4 762個梁單元和806個板單元，模型見圖5。

圖5　成橋計算模型

3.1材料參數

玻璃溝大橋主要材料參數見表2。

表2　玻璃溝大橋材料參數

3.2混凝土收縮徐變

拱圈外包混凝土頂、底板的理論厚度由0.8 m漸變成0.4 m，外腹板由0.55 m變成0.3 m，中腹板的厚度為0.3 m。外包混凝土初始加載齡期取6個月(180 d)，收縮徐變計算到鋪裝完成后10 a。

3.3二期恒載

橋面鋪裝：先在橋面板上澆筑10 cm的C50合成纖維混凝土調平層，其鋼筋網離水泥水泥混凝土鋪裝上表面的凈保護層為3 cm。待混凝土強度達到70 %后，在其上均勻涂刷BBC-251Ⅱ型道橋用聚合物改性瀝青防水涂料。待防水層干燥后，在防水層上面4 cm的細粒式瀝青混凝土。

4　施工階段模擬

4.1模擬內容

各施工階段控制截面鋼管應力、混凝土應力模擬；控制截面位移模擬；主拱圈穩定性模擬。

4.2撓度和應力模擬

玻璃溝大橋根據施工階段劃分，對各階段控制截面撓度、鋼管應力、主拱圈混凝土應力主拱圈穩定性進行了模擬，計算結果見圖6～圖10，其中應力正為拉應力，負為壓應力。

圖6　施工階段理論撓度值

圖7　下弦桿鋼管控制截面理論應力

圖8　上弦桿鋼管控制截面理論應力

圖9　上弦桿內灌混凝土控制截面理論應力

圖10　下弦桿內灌混凝土控制截面理論應力

由圖6可知，整個施工階段控制截面的下撓撓度幾乎都是均勻變化的，直到澆筑拱上立柱和蓋梁時，撓度下滑迅速，可見澆筑拱上立柱的重量是比較大的。施工時，更應該采取均勻對稱的施工方法，堅決按照拱橋的施工控制[3]。施工控制是一個施工→測試→識別→修正→預告→施工的循環過程。施工控制的目的是保證結構在施工過程中的安全以及外形和內力符合設計要求。

由圖7～圖10可知，勁性骨架合龍后，從理論模擬數據出發，可以清楚的看出不論鋼管還是混凝土都是在1/8截面處的應力在各個施工階段中處于最大處，所以在施工監控中，應該重點監控。同時，鋼管的最大軸向壓應力為181 MPa,內灌混凝土的壓應力最大9.24 MPa，可見拱肋的應力均大大小于鋼管強度標準值、混凝土強度標準值[4]。拱肋的的整體受力安全。

4.3穩定性分析[5]

拱的穩定從失穩形態分為面內穩定和面外穩定;從失穩時是否發生平衡分支又分為分支點失穩和極值點失穩。在沒有考慮非線性影響的條件下，失穩時屬于分支點失穩，而分支點失穩常用的計算方法是通過求解特征值得到彈性臨界荷載，因此它只是真實解的上限，工程中一般要求彈性分支點失穩的臨界荷載為實際荷載的4～6倍。

勁性骨架拱橋的失穩與一般拱橋的失穩不同,勁性骨架和混凝土板的受力是分次疊加的, 每次加載的承載結構都不同,導致勁性骨架弦桿和腹桿的受力不均勻。因此，需要模擬各個階段的穩定系數。

拱橋施工階段通過特征值求解的一階特征值作為穩定系數，要求達到4～5(圖11)。

圖11　各施工階段穩定系數

由圖11可見：在澆筑底板混凝土階段(3～7施工階段)結構的穩定系數處于最低點，不滿足要求，其余階段均滿足要求；澆筑底板混凝土，腹板混凝土時，在不合龍之前，穩定系數變化不大，合龍之后穩定系數提升；澆筑頂板混凝土階段時，穩定系數穩步提升，可見，拱圈的形成提高了拱橋的穩定系數。

5　模型的優化調整

由于拱橋在施工前，所有的模擬分析都是按照施工圖紙在理想化狀態下進行模擬分析計算的，而在實際施工過程中，影響拱橋結構內力和變形因素很多，主要有以下幾方面。

(1)施工臨時荷載( 施工機具及模板等) ;

(2)合龍溫度及日照的影響;

(3)現場澆筑混凝土澆筑方量的控制;

(4)混凝土收縮和徐變的影響(主要包含強度-時間實際發展曲線定義及收縮徐變應變-時間實際發展曲線定義)。

針對以上影響因素，監控過程中將根據實際情況和實測數據對結構有限元計算模型進行逐階段優化調整，使之不斷接近實際。

6　結束語

本文通過運用大型有限元軟件Midas/Civil建模，對玻璃溝大橋各個施工階段模擬分析發現，按照設計施工工序，玻璃溝大橋各個施工階段下撓的位移，符合設計要求；各個階段的應力均未超過材料容許應力；同時，在各個施工階段的穩定分析中，澆注底板混凝土的穩定系數未達到要求，說明在施工時，應該加強骨架的橫向連接，保證施工安全。

[1]葉見曙.結構設計原理[M].人民交通出版社,1997.

[2]米曦亮，栗勇.勁性骨架在混凝土拱橋中的應用和模擬方法研究[J].城市道路與防洪，2013,6(6):93-96.

[3]張征文，王巍，江根明.大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋的施工及控制[J].建筑施工，2007，29(4)：284-285.

[4]JTG D62-2012 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]趙雷，杜正國.大跨度鋼筋混凝土拱橋鋼管混凝土勁性骨架施工穩定性分析[J].西南交通大學學報，1994(4)：446-446.

邸慶輝(1989～)，男，碩士，研究方向為道橋與隧道工程及檢測。

U445.469

B

[定稿日期]2016-03-16