某大跨度鋼管混凝土拱橋施工監控及有限元分析

姜 趕 超

(武漢市規劃設計有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程背景

項目地點位于四川省瀘定縣境內，是跨越大渡河硬梁寶水電站的附屬橋梁3號橋。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135 m。橋梁主體拱肋為鋼管混凝土桁架結構，橋面板以下部分的拱肋采用外包混凝土形成實體截面以防止撞擊并保護拱肋鋼管，拱肋采用懸鏈線無鉸拱，全橋拱肋共13對吊桿，吊桿縱向間距按6.5 m設置，橫向軸線距為11.1 m。橋臺均采用U型橋臺，基礎均采用樁基承臺基礎。

2 監控測點定位

全橋主體拱肋一共設置7個測試斷面，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個應力監控測點，測點布置在每個拱肋的上弦桿和下弦桿上，測點具體定位如圖1，圖2所示。

單向應力狀態下，梁體各測點應力按式(1)計算：

σ=E×ε

(1)

其中，E為鋼管材料的彈性模量，取E=2.1 GPa；ε為應變計表面處鋼管產生的應變。

備注：Q345許用應力取230 MPa，100個微應變約21 MPa。

通過監測控制點的應變的測試結果，代入式(1)可以計算出各測點的應力值。

3 有限元模型仿真分析

3.1 計算參數的選取

本項目采用的材料參數見表1，建模圖見圖3。

表1 模型材料參數

3.2 計算模型的建立

本工程將通過專業的橋梁有限元軟件MIDAS/Civil 6.7.1模擬分析拱橋施工吊裝各個階段的施工過程，具體過程如下：

將主拱肋結構采用三維空梁單元模擬，并依據設計施工圖的放樣坐標建立模型中的幾何坐標，主拱肋間的蓋板及腹桿離散為梁單元進行模擬；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，在吊裝過程中采用鉸結連接；待拆除扣鎖后，連接采用固結節點。全橋基本模型共離散為2 278個單元和1 085個節點。

依據上述施工吊裝工藝，設置施工階段的吊裝計算模型，通過有限元分析計算得到各階段的施工工藝流程如圖4～圖8所示。

4 實測值與理論值的對比分析

鋼管混凝土拱肋在灌注混凝土后的節段，不計入未灌注混凝土前的初始應力值，采用應力疊加原理，把每個灌注過程中產生的應力進行疊加，且僅對鋼管自身應力進行分析。根據灌注施工過程的各個工況，計算各灌注工況下拱肋與測量相對應的各個鋼管測點值通過現場測點的應變值，通過本文第2.1節式(1)計算出現場測點的應力實測值。

采用MIDAS/Civil 6.7.1軟件對全橋進行施工階段的模擬仿真分析，同時通過仿真計算結果應力云圖，可以提取在橋梁箱梁各關鍵部位截面應力變化情況。通過前面兩節得到的實測值和理論值進行對比分析，各測點的實際應力值和計算應力值。由于對稱性，本文取單跨拱肋1/2的測點進行比較，結果如表2所示。

從表2數據可以得出，隨著施工過程的不斷推進，實測值與理論值逐漸趨近于接近。從施工各個節段的總體分析來看，應力監控實測值產生的正應力最大值為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力值位置相同。說明整個施工過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，待拱腳處混凝土達到一定強度后再進行吊裝，以保證吊裝安全。

表2 鋪裝完人行道板實測值與理論值的比較

5 拱肋變形撓度分析

根據有限元計算模型，混凝土在鋼管內未凝固前，宜將自重折算成外加荷載作用于鋼管上。得出拱肋控制點在各灌注階段撓度值(見表3)。各灌注階段上拱肋的累計撓度曲線見圖9。

表3 各施工階段控制點的累計撓度值 mm

從圖9可以看出，施工各階段進行過程中，拱肋產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)撓度明顯有個下降的突變。在鋪裝橋面板后達到最大，最大撓度位于組后一個階段的拱頂，撓度達到了-83 mm。全橋跨度為110 m，相對撓度比例為82/110 000=1/1 333<1/500,滿足規范規定的撓度限值要求，本工程項目符合安全要求。

6 結論及建議

綜合拱橋應力與拱肋變形有限元計算結果，本橋施工階段過程中拱肋的應力狀態尚可，拱肋的變形及各施工段的沉降均在允許限值范圍內。總的來說，基本上完成了對鋼管拱肋截面應力的監測。綜合以上分析，本橋的結論及建議如下：

1)拱腳處應力處在整個施工過程中最薄弱的位置，理論值最大達到125.96 MPa，建議拱腳處鋼管先灌注混凝土，待達到一定強度后再進行吊裝。

2)在施工進行過程中，拱肋產生的撓度值逐漸增大，拆除扣索后，在扣索位置(1/4截面)撓度明顯有個下降的突變。在鋪裝橋面板后達到最大，最大撓度為83 mm，較符合實際。建議在吊裝拱肋時預抬高值為8 cm。

3)建議加強日常養護工作。