某大跨度鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控及有限元分析

姜 趕 超

(武漢市規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程背景

項(xiàng)目地點(diǎn)位于四川省瀘定縣境內(nèi)，是跨越大渡河硬梁寶水電站的附屬橋梁3號(hào)橋。橋梁凈跨徑為110 m，采用中承式單孔鋼管混凝土拱橋，橋梁全長(zhǎng)135 m。橋梁主體拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，橋面板以下部分的拱肋采用外包混凝土形成實(shí)體截面以防止撞擊并保護(hù)拱肋鋼管，拱肋采用懸鏈線無(wú)鉸拱，全橋拱肋共13對(duì)吊桿，吊桿縱向間距按6.5 m設(shè)置，橫向軸線距為11.1 m。橋臺(tái)均采用U型橋臺(tái)，基礎(chǔ)均采用樁基承臺(tái)基礎(chǔ)。

2 監(jiān)控測(cè)點(diǎn)定位

全橋主體拱肋一共設(shè)置7個(gè)測(cè)試斷面，分別位于拱腳斷面處，1/4L拱肋斷面處，3/8L拱肋斷面處，1/2L拱肋斷面處，5/8L拱肋斷面處，3/4L拱肋斷面處。全橋共50個(gè)應(yīng)力監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置在每個(gè)拱肋的上弦桿和下弦桿上，測(cè)點(diǎn)具體定位如圖1，圖2所示。

單向應(yīng)力狀態(tài)下，梁體各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力按式(1)計(jì)算：

σ=E×ε

(1)

其中，E為鋼管材料的彈性模量，取E=2.1 GPa；ε為應(yīng)變計(jì)表面處鋼管產(chǎn)生的應(yīng)變。

備注：Q345許用應(yīng)力取230 MPa，100個(gè)微應(yīng)變約21 MPa。

通過(guò)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的應(yīng)變的測(cè)試結(jié)果，代入式(1)可以計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。

3 有限元模型仿真分析

3.1 計(jì)算參數(shù)的選取

本項(xiàng)目采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1，建模圖見(jiàn)圖3。

表1 模型材料參數(shù)

3.2 計(jì)算模型的建立

本工程將通過(guò)專(zhuān)業(yè)的橋梁有限元軟件MIDAS/Civil 6.7.1模擬分析拱橋施工吊裝各個(gè)階段的施工過(guò)程，具體過(guò)程如下：

將主拱肋結(jié)構(gòu)采用三維空梁?jiǎn)卧M，并依據(jù)設(shè)計(jì)施工圖的放樣坐標(biāo)建立模型中的幾何坐標(biāo)，主拱肋間的蓋板及腹桿離散為梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；扣鎖不能受壓，故采用僅受拉的索單元模擬；拱肋與蓋板間的吊桿采用桁架單元模擬。鋼管拱肋與地面間的連接，在吊裝過(guò)程中采用鉸結(jié)連接；待拆除扣鎖后，連接采用固結(jié)節(jié)點(diǎn)。全橋基本模型共離散為2 278個(gè)單元和1 085個(gè)節(jié)點(diǎn)。

依據(jù)上述施工吊裝工藝，設(shè)置施工階段的吊裝計(jì)算模型，通過(guò)有限元分析計(jì)算得到各階段的施工工藝流程如圖4～圖8所示。

4 實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比分析

鋼管混凝土拱肋在灌注混凝土后的節(jié)段，不計(jì)入未灌注混凝土前的初始應(yīng)力值，采用應(yīng)力疊加原理，把每個(gè)灌注過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行疊加，且僅對(duì)鋼管自身應(yīng)力進(jìn)行分析。根據(jù)灌注施工過(guò)程的各個(gè)工況，計(jì)算各灌注工況下拱肋與測(cè)量相對(duì)應(yīng)的各個(gè)鋼管測(cè)點(diǎn)值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，通過(guò)本文第2.1節(jié)式(1)計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值。

采用MIDAS/Civil 6.7.1軟件對(duì)全橋進(jìn)行施工階段的模擬仿真分析，同時(shí)通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖，可以提取在橋梁箱梁各關(guān)鍵部位截面應(yīng)力變化情況。通過(guò)前面兩節(jié)得到的實(shí)測(cè)值和理論值進(jìn)行對(duì)比分析，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力值和計(jì)算應(yīng)力值。由于對(duì)稱(chēng)性，本文取單跨拱肋1/2的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以得出，隨著施工過(guò)程的不斷推進(jìn)，實(shí)測(cè)值與理論值逐漸趨近于接近。從施工各個(gè)節(jié)段的總體分析來(lái)看，應(yīng)力監(jiān)控實(shí)測(cè)值產(chǎn)生的正應(yīng)力最大值為125.96 MPa，位于鋪裝完橋面板階段的拱腳處，與有限元軟件模擬分析的最大應(yīng)力值位置相同。說(shuō)明整個(gè)施工過(guò)程中最薄弱的位置在拱腳處，建議在吊裝拱肋前，先在拱腳處鋼管灌注混凝土，待拱腳處混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行吊裝，以保證吊裝安全。

表2 鋪裝完人行道板實(shí)測(cè)值與理論值的比較

5 拱肋變形撓度分析

根據(jù)有限元計(jì)算模型，混凝土在鋼管內(nèi)未凝固前，宜將自重折算成外加荷載作用于鋼管上。得出拱肋控制點(diǎn)在各灌注階段撓度值(見(jiàn)表3)。各灌注階段上拱肋的累計(jì)撓度曲線見(jiàn)圖9。

表3 各施工階段控制點(diǎn)的累計(jì)撓度值 mm

從圖9可以看出，施工各階段進(jìn)行過(guò)程中，拱肋產(chǎn)生的撓度值逐漸增大，第一階段和第二階段的撓度變化相差不大。拆除扣索后，在扣索位置(1/4截面)撓度明顯有個(gè)下降的突變。在鋪裝橋面板后達(dá)到最大，最大撓度位于組后一個(gè)階段的拱頂，撓度達(dá)到了-83 mm。全橋跨度為110 m，相對(duì)撓度比例為82/110 000=1/1 333<1/500,滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的撓度限值要求，本工程項(xiàng)目符合安全要求。

6 結(jié)論及建議

綜合拱橋應(yīng)力與拱肋變形有限元計(jì)算結(jié)果，本橋施工階段過(guò)程中拱肋的應(yīng)力狀態(tài)尚可，拱肋的變形及各施工段的沉降均在允許限值范圍內(nèi)。總的來(lái)說(shuō)，基本上完成了對(duì)鋼管拱肋截面應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。綜合以上分析，本橋的結(jié)論及建議如下：

1)拱腳處應(yīng)力處在整個(gè)施工過(guò)程中最薄弱的位置，理論值最大達(dá)到125.96 MPa，建議拱腳處鋼管先灌注混凝土，待達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行吊裝。

2)在施工進(jìn)行過(guò)程中，拱肋產(chǎn)生的撓度值逐漸增大，拆除扣索后，在扣索位置(1/4截面)撓度明顯有個(gè)下降的突變。在鋪裝橋面板后達(dá)到最大，最大撓度為83 mm，較符合實(shí)際。建議在吊裝拱肋時(shí)預(yù)抬高值為8 cm。

3)建議加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)工作。