拼裝誤差對箱型截面拱橋拱圈強度的影響分析

李自林，史旭東，石迎新

（1.天津城建大學，天津 300384；2.中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

拼裝誤差對箱型截面拱橋拱圈強度的影響分析

李自林1，史旭東1，石迎新2

（1.天津城建大學，天津 300384；2.中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

以成貴鐵路西溪河大橋為工程背景，利用ANSYS11.0模擬分析拱圈拼裝過程中產生的縱向偏差誤差及截面偏差角對拱圈強度的影響.結果表明：縱向偏差及截面偏差角均會影響橋梁拱圈的強度；橋梁拱圈內的應力值隨縱向偏差及截面偏差角的增大而增大；截面偏差角對橋梁拱圈強度的影響要大于縱向偏差對橋梁拱圈強度的影響.

箱型截面；拼裝誤差；組合誤差；拱圈強度

大跨度拱橋是公路和鐵路跨越峽谷、江河和山區深溝的主要橋梁結構形式之一.尤其是鋼管混凝土拱橋，其結構輕巧，造型美觀，承載能力、跨越能力和地基適應能力強，在現代橋梁建設中得到了廣泛的應用［1］.拱圈作為橋梁主體的一部分，對其進行強度分析具有重要的意義.既有拱橋在荷載、基礎變位和環境條件等因素的長期作用下，拱圈（拱肋）的軸線不可避免地要發生變化，而拱軸線型形狀的改變又直接影響拱圈內力及截面應力的分布［2-3］.拱圈拼裝過程中采用支架固定拱圈，利用全站儀測定拱圈線形［4-5］.由于工人操作、環境影響和拱圈自重等因素的影響，拱圈線形難免會產生拼裝誤差，使拱圈實際線形與設計要求的線形有偏差，從而影響拱圈強度［6］.箱型截面較啞鈴形截面抗彎剛度大，造型美觀，但由于其截面較為復雜，使得拱圈線形偏差對拱圈強度的影響更為嚴重［7-9］.本文對拼裝誤差引起的箱型截面拱橋拱圈強度變化進行研究.

1 工程概況

本工程為成貴鐵路西溪河大橋，跨越深切河谷西溪河，全長493.6，m.拱圈由兩條拱肋與橫向連接系構成，拱趾中心跨度為240，m，拱肋橫向內傾7.5°，拱趾處中心距為23.192，m，拱頂兩肋中心距為8.71，m.拱軸系數m=2.2，矢跨比約1/4.364.拱肋高5.7，m，寬3.0，m.每肋由4支Φ1，100，mm× 20，mm鋼管構成，上弦之間和下弦之間均由兩塊20，mm厚的鋼板聯結成空心啞鈴型，在拱肋的全長上均為等截面；上下弦之間各由兩塊16，mm厚的鋼板聯結，構成實腹段，使拱肋截面呈箱型.

2 拱肋吊裝及合龍

2.1 鋼管拱制造和運輸

鋼管拱由專業廠家制造.在工廠將鋼管拱肋上、下弦用3～8，m節段鋼管加工制造成啞鈴型，并進行1/4預拼.各節段預拼裝時，應在各接口處做出相應標志.經檢查合格后，分段起吊.拱肋通過火車及汽車運至鋼管拱存放現場，利用汽車吊將鋼管拱按一定順序起吊存放，并支墊牢靠.

2.2 鋼管拱拱肋組拼

在支架上按設計線型位置將拱肋下弦2～3節段對接拼裝并固定，然后在其上搭設支架，架設2～3節上弦啞鈐型肋段，并將上弦拱肋調整至設計線型，各肋段接頭點焊.再將上、下弦拱肋的連接腹板安裝上并施焊（自內向外焊接），施焊同時逐步拆除上弦拱肋的支點.按上述步驟從拱肋的拱腳向拱頂，依次由下向上、由內向外，分別安裝兩實腹段拱肋.與此同時，務必在每一節段完成時，調整一次拱肋的線型.

2.3 鋼管拱轉體及合龍

在鋼管拱拱肋及交界墩拼裝施工完畢，并檢查合格后，選擇在微風或無風氣候下，對稱張拉交界墩后背索、鋼管拱拱肋前扣索和最后一批上轉盤的縱向預應力鋼束，使鋼管拱形成轉體狀態.在鋼管拱肋脫離支架后，通過加載、配重等方法，使其形成以球鉸為中心的平衡轉體體系.待轉體體系檢查合格后，將其靜置48，h，測量、觀察轉體體系是否有異常現象，同時通過預埋裝置檢查半跨鋼管拱肋受力是否正常.

在施工兩岸各安裝一套同步的全自動、全液壓、連續牽引的系統.經兩套系統試調完成后，將由上轉盤轉臺引出的鋼絞線穿入牽引千斤頂.先手動起動轉體系統試轉，由于起動時轉體間的靜摩擦系數太大，故需要用輔助千斤頂來幫助主作用千斤頂啟動牽引.在手動試轉正常后，將輔助千斤頂退出轉體工作，主千斤頂即可切換至“自動”運行狀態.為防止半跨鋼管拱轉體超轉，轉體快到設計位置時，將牽引系統切換至手動、點動操作，以保證拱體精確定位.轉體到位后，對兩端拱肋進行微調和鎖定，最后再進行合龍段的施工.

3 拼裝誤差對拱圈強度的影響

3.1 拱圈拼裝誤差原因

拱圈在出廠拼裝過程中，雖對拼裝的1/4拱圈進行檢查，但并不能保證拱圈不產生微小變形或拱圈軸線與設計軸線相一致；拱圈在現場拼裝過程中，容易因為現場施工環境、工人操作及其他相關因素影響，致使拱圈實際拱軸線與設計軸線不符；在拱圈進行轉體合龍過程中，底座轉體不平穩、基礎軸線微小偏差、支座軸線微小偏差等因素均會導致拱圈實際軸線與設計軸線不符.

3.2 拱圈拼裝誤差形式

實際施工過程中，為使合龍時兩端軸線符合設計要求，會在合龍端施加一定的力或扭矩，使軸線調整符合設計要求，這就使得拱圈在拼裝合龍完成后拱圈內具有一定的初始應力，從而影響拱圈的強度.

本工程拱圈采用轉體合龍方式完成拼裝，截面橫向拼裝誤差為可調整誤差；但拱圈截面縱向及偏差角度均為不易調整誤差.故針對拱圈截面縱向誤差（如圖1），采取施加縱向力，使截面軸線縱向對齊；針對拱圈截面角度誤差（如圖2），采取施加截面扭轉力，使截面軸線對齊；針對同時具有縱向誤差及截面偏差角誤差的情形（如圖3），采取同時施加縱向力及扭矩的方式進行糾偏.

圖1 縱向誤差

圖2 截面偏差角

圖3 縱向誤差+截面偏差角

3.3 拱圈結構模型

橋梁拱圈由雙啞鈴型截面焊接成箱型截面，每段拱肋由3～8，m鋼管焊接而成.結構簡化模型如圖4所示.

圖4 結構簡化模型

3.4 拱圈有限元模型

本文采用有限元程序ansys11.0為工具進行模擬分析.橋梁拱圈由Q345鋼材制成，材料為理想彈塑形模型，彈性模量E=2.06×106，MPa，泊松比μ= 0.28，鋼材屈服強度σy=345，MPa，密度為7，850 kg/m3，考慮到結構的對稱性及截面的均勻性，建模時先建模型截面，用截面按橋軸線直接拉伸出拱圈模型.為方便分析，采用soild45單元建模.進行網絡劃分時，先對整體進行智能網絡劃分，再對局部進行細化劃分.

在實際施工過程中，施工誤差值一般不會太大，故本文在進行有限元模型模擬誤差計算時，采用微小誤差值進行模擬分析，所采用的誤差值及形式如表1所示.

表1 誤差表

進行有限元模擬分析時，先對半拱圈進行誤差分析，再將得到的半拱圈內力加到拱圈整體中進行模擬分析，得到由誤差引起的拱圈內應力情況.計算結果如表2-4所示.

表2 縱向偏差引起的應力值

表3 截面偏差角引起的應力值

表4 組合偏差引起的應力值 MPa

4 拼裝誤差對拱圈強度的影響

由計算結果繪制出應力值變化圖，如圖5-7所示.

由圖5-7，對本橋梁拱圈進行分析，可以得到如下結果.

圖5 縱向偏差引起的應力值變化

圖6 截面偏差角引起的應力值變化

圖7 組合誤差引起的應力值變化

（1）由拼裝引起的施工誤差在一定范圍內不會引起拱圈結構的破壞，但會降低拱圈的強度，從而對橋梁整體的強度產生影響；由拼裝誤差引起的拱圈內應力值隨拼裝縱向偏差值的增大而增大，且其應力值曲線斜率隨縱向偏差值的增大而增大，即由拱圈縱向偏差引起的拱圈內應力值增長率逐漸增大，超過一定數值必將造成拱圈結構的破壞；由拼裝誤差引起的拱圈內應力值隨拼裝截面偏差角的增大而增大，且其應力值曲線斜率隨縱向偏差值的增大而增大，即由拱圈截面偏差角引起的拱圈內應力值增長率逐漸增大，轉角偏差過大，必將造成拱圈結構的破壞.

（2）對同時具有縱向偏差及截面偏差角的拱圈，拱圈內應力值隨組合誤差值的增大而增大.但拱圈內應力值的增長率隨組合誤差數值的增大而減小，原因是由組合誤差引起的受力十分復雜，與簡單受力情況下的應力值增長率并不相同.

（3）橋梁拱圈在同時具有縱向偏差及截面偏差角的情況下，在任一截面上，拱圈內應力值最大處在截面垂直于拱圈軸線的縱向上，如圖8（縱向偏差0.10，m，截面偏差角3.0°時拱趾處）所示.

圖8 拱趾應力云圖

（4）橋梁拱圈在組合誤差的情況下，拱圈內應力分布并不均勻，因為拱圈兩端受到的力并非對稱力.但任一組合誤差情況下，拱圈內應力值最大點均位于跨中位置，如圖9所示.

圖9 組合誤差下拱圈內應力云圖

（5）由組合誤差引起的應力值在既定縱向偏差數值的情況下，其增長速率隨截面偏差角的增大而增大；由組合誤差引起的應力值在既定截面偏差角數值的情況下，其增長速率隨縱向偏差數值的增大而減小；由組合誤差引起的應力值變化曲線可以看出，截面偏轉角誤差對橋梁拱圈內應力值的影響要大于縱向偏差對橋梁拱圈內應力值的影響.

5 結 論

在實際施工工程中，拱圈拼裝誤差普遍存在，其對拱圈強度的影響十分明顯.本文著重研究了拱圈拼裝過程中產生的縱向偏差及截面偏差角對拱圈強度的影響，得到如下結論：

（1）拱圈拼裝誤差在一定范圍內時并不會導致橋梁拱圈的破壞，但會影響橋梁拱圈的強度，從而對橋梁整體造成影響.

（2）拱圈拼裝誤差引起的拱圈內應力值隨誤差的類型、大小的變化而變化，拱圈內應力值隨各種誤差數值的增大而增大.單種誤差所引起的拱圈內應力值要比多種誤差同時存在情況下拱圈內應力值小，在實際施工過程中，應盡量控制橋梁線形，使之僅有一種誤差.

（3）在同時具有縱向誤差及截面偏差角的情況下，截面偏差角對橋梁拱圈強度的影響要大于縱向偏差誤差對橋梁拱圈強度的影響.在實際施工過程中，應盡量避免截面偏差角.

（4）在縱向誤差及截面偏差角均較大時，由拼裝誤差引起的應力高達150～163，MPa，達到鋼材屈服強度的40%，以上，考慮后期疊加正常使用階段的應力，對拱橋十分不利.故在實際施工過程中，縱向誤差值不應大于0.10，m，截面偏差角不應大于2.5°.

［1］李 艷，趙均海，張常光，等.啞鈴型鋼管混凝土拱肋極限承載力研究 ［J］.計算力學學報，2015，32（2）：99-106.

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Analysis of the Influence of Assembly Errors on the Box Section Arch Strength of Arch Bridge

LI Zilin1，SHI Xudong1，SHI Yingxin2
（1.Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.The 2th Engineering Co.，Ltd of the 18th China Railway Construction Bureau，Tangshan 063000，Hebei，China）

With the Xixi River Bridge on the route of Chengdu-Guiyang Railway as engineering background，this paper uses ANSYS11.0 to analyze the influence of longitudinal error and cross section deviation angle on the strength of the arch.The research result shows that：①longitudinal error and cross section deviation angle will influence the strength of bridge arch；②the bridge arch stress value increases as longitudinal error and cross section deviation angle increase；③the influence of cross section deviation angle on the strength of the bridge arch is greater than that of longitudinal deviation.

box section；assembly error；combined error；arch strength

U448.22

A

2095-719X（2016）04-0273-05

2015-06-23；

2015-07-07

住建部科學技術項目（2015-K3-021）；天津市自然科學基金項目（13JCYBJC19600）；天津市交通運輸委員會科技項目（2014-23）

李自林（1953—），男，河北成安人，天津城建大學教授.