連續梁拱組合橋拱肋結構頂推力學性能分析

王澤能　成魁

摘要：大跨度梁拱組合橋拱肋結構在頂推施工過程中的受力情況復雜，橫向抗傾覆穩定性較差。為確保拱肋結構頂推過程的安全和穩定，文章以某大跨度梁拱組合體系橋拱肋頂推施工為例，采用有限元計算方法對頂推施工過程中的拱肋進行研究，提出在拱腳處進行臨時配重來提高頂推施工過程中拱肋的抗傾覆性能，并通過對比三組臨時配重作用下的拱肋受力狀態以及抗傾覆性能，研究臨時配重對拱肋結構內力以及橫向抗傾覆能力的影響。分析結果表明：對拱腳進行臨時配重后拱肋抗傾覆穩定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，同時拱腳臨時配重對拱肋結構應力及屈曲穩定性相對影響較小，該措施的提出也可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：拱肋;抗傾覆穩定性;頂推;梁拱體系;有限元模擬

中國分類號：U448.21+6文章標識碼：A180684

0 引言

連續剛構拱橋作為強梁弱拱體系，通常先施工混凝土連續梁，其次架設拱結構。混凝土連續梁橋施工大多為掛籃懸臂澆筑，拱肋則可采用支架原位拼裝、原位支架臥拼并豎轉合龍和異位拼裝并縱向頂推滑移施工方法。近年來，由于異位拼裝并縱向頂推滑移施工方法有利于控制成拱線形，能夠極大提高施工效率，縮短施工工期，該施工方法得到廣泛的應用[1]。目前，現有研究主要針對如何根據結構受力狀態制定合理可行的臨時支撐措施[2]和滑移構造設施[3]，以及如何采取可行有效的監控方案等方面，缺少頂推施工過程中拱肋結構受力性能的探討，此外，由于拱肋重心較高，頂推過程中橫向風荷載對拱肋結構的傾覆穩定性影響很大[4]。

本文以某大跨度梁拱組合體系橋拱肋頂推施工為背景，運用有限元軟件對拱肋結構力學性能進行研究，分析頂推施工中拱肋橫向抗傾覆穩定性能[5]。

1 工程概況

背景橋梁為三孔（72+128+72）m直吊桿體系連續梁拱橋，拱肋垂直布置，支座中心至梁端0.85 m。系梁橫截面采用單箱雙室變高截面，邊支點斷面高4.0 m，中支點斷面高7.5 m，采用C55混凝土，拱肋為啞鈴型截面，內部澆筑C55混凝土，橋型布置如圖1所示。拱肋采用頂推法施工，通過推運車將拱肋頂推到指定位置，具體如圖2所示。

2 梁拱組合橋施工

2.1 施工方案

本橋采用先澆筑主梁后架設拱肋的施工方法，主橋采用懸澆施工，拱肋采用頂推法施工，通過推運車將拱肋頂推到指定位置。

（1）拱肋拼裝支架

臨時支架立柱鋼管采用[WTBX]426 mm×8 mm鋼管，鋼管立柱之間用C16a槽鋼連接;墩頂采用I32a工字鋼作分配梁;分配梁頂焊接500 mm×1 000 mm×14 mm鋼板作為支撐平臺。墩柱之間采用[WTBX]273 mm×8 mm鋼管連接牢固，以保證整個支撐體系穩定。立柱可在拼裝場地拼裝后整體吊裝。吊裝拱肋節段時，涉及的支架間橫向連接在拆除、吊裝完成后重新安裝固定。

（2）拱肋頂推系統

拱腳處設置水平拉索，平衡拱腳處產生的水平推力。利用拱腳位置縱向頂推體系進行整體頂推。頂推體系由連接抱箍、楔形鋼箱梁、貝雷片橫梁、桁架小車、臨時拱座等組成，輪箱底部設置鋼軌和軌道基礎。

2.2 關鍵技術

拱肋結構在頂推過程中會在外部荷載的沖擊作用下產生屈曲變形，從而降低拱肋結構的安全穩定性，目前主要通過以下幾種措施解決上述問題。

（1）拱肋頂推時通過在拱腳處配備水平拉索來平衡拱腳的水平推力，這樣可最大程度上減小拱肋的撐開變形，因頂推過程中只有拱腳水平推力且僅由恒載作用產生，因此可根據裸拱恒載作用下水平推力[JP+2]作為臨時水平拉索初張力，水平拉索承受的拉力為1 690.4 kN。

（2）在頂推過程中，由于拱肋重心偏高，因此需針對拱肋體系的穩定安全性進行驗算，以保障拱肋結構頂推過程中的安全。

（3）在頂推過程中，采取臨時配重措施來確保拱肋結構的安全穩定性，在四臺推運車上均布置配重水箱，配重示意如圖3所示。本文通過在拱肋拱腳位置進行不同的荷載配重，結合有限元對其受力性能和抗傾覆穩定性進行對比分析。

3 拱肋結構有限元模型的建立

3.1 有限元模型

采用有限元軟件建立拱肋在橫向風荷載作用下的空間模型，拱肋間的縱橫向連接平聯使用Midas Civil的空間梁單元模擬。拱肋之間的水平拉索采用桁架單元模擬，水平拉索的初始拉力根據恒載作用下支座承受的水平力取值，拱肋的空間有限元模型如圖4所示。

3.2 荷載及荷載組合

3.2.1 荷載計算

拱肋結構在頂推過程中主要承受拱肋結構自身重量和作用在拱肋上的風荷載，恒載主要包括拱肋自重、橫撐及斜撐自重;橫向風荷載主要根據《鐵路橋涵設計基本規范》規定計算，具體公式如下：

3.2.2 荷載效應組合

荷載效應組合根據《公路與鐵路兩用橋梁通用技術要求》第5.1.3條可知：

（1）風荷載作用下抗傾覆穩定性最不利效益組合：1.0×拱肋自重+1.1×橫向風荷載+1.1×縱向風荷載;

（2）作用基本組合：1.2×拱肋自重+1.1×橫向風荷載+1.1×縱向風荷載;

（3）正常使用狀態組合：1.0×拱肋自重+0.75×橫向風荷載+0.75×縱向風荷載。

4 拱肋力學性能分析

4.1 拱肋內力分析

4.1.1 拱肋應力分析驗算

根據拱肋頂推實際過程中的受力情況，通過將上述荷載施加到有限元模型中，分別在拱腳位置處布置幾組不同配重，對比分析不同臨時配重前后拱肋應力變化情況，其變化情況如表2所示。

由表3可得，拱肋在頂推時，對拱腳進行臨時配重后拱肋結構彎曲應力和剪切應力變化幅度很小，且應力都小于規范允許限值，因此可知拱腳臨時配重對拱肋結構應力影響不大。

4.1.2 臨時拱座支反力計算

根據有限元模型分析頂推靜止狀態的拱肋在風荷載作用下的受力，得到臨時拱座支反力，各支反力計算結果如表3所示。

4.2 拱肋橫向風荷載作用下抗傾覆計算

4.2.1 計算方法

通過有限元軟件對拱肋頂推施工做靜力分析，按最不利荷載布置（本工程選取風荷載作用下的荷載組合），計算得到此狀態下的支座反力。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362[CD*2]2018）第4.1.8條進行拱肋結構抗傾覆驗算，計算公式如下：

根據計算結果可知，在頂推期間拱肋抗傾覆穩定安全系數雖然小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》所要求的2.5，但安全儲備不夠。

本文提出在拱腳處進行配重來提高頂推施工過程中拱肋的抗傾覆性能，通過對比三組臨時配重作用下拱肋的抗傾覆性能，分析在最不利工況下拱肋結構抗傾覆穩定性系數與配重荷載之間的關系，不同配重荷載下拱肋抗傾覆安全系數變化如表4所示，抗傾覆穩定系數隨配重荷載變化的規律如圖5所示。

綜上所得，在拱腳臨時配重后，拱肋抗傾覆穩定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，且抗傾覆穩定性系數隨配重荷載增大而增大，由此可知在拱腳位置處進行配重以提高拱肋結構橫向抗傾覆穩定性的方法是可行的。

4.3 橫向風荷載作用下結構穩定性分析

拱肋在頂推施工過程中，由于運輸小車的臨時啟動或制動，將會導致失穩現象的產生，因此對拱肋進行空間穩定性分析，對比不同配重下拱肋各階模態的臨界荷載系數以及失穩形態，然后據此評價支架的穩定性，具體結果見表5。

根據表5可知，不同臨時配重作用下拱肋各階模態的臨界荷載系數都大于設計限值4，但拱腳配重后對拱肋屈曲穩定性影響不大。由此可見，采取拱腳臨時配重措施后拱肋頂推時的穩定性能夠滿足施工中的要求。

5 結語

本文針對某大跨度梁拱組合橋頂推施工拱肋結構力學性能進行研究，主要得到如下結論：

（1）通過有限元軟件分析可知，對拱腳進行臨時配重后拱肋結構彎曲應力和剪切應力變化幅度很小，并且彎曲應力和剪切應力都小于規范限值，因此可知拱腳臨時配重對拱肋結構應力影響不大。

（2）在拱腳臨時配重后，拱肋抗傾覆穩定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，且抗傾覆穩定性系數隨配重荷載增大而增大，因此拱腳位置處進行配重提高拱肋結構橫向抗傾覆穩定性的方法是可行的。

（3）不同臨時配重作用下拱肋各階模態的臨界荷載系數都大于設計限值4，但拱腳配重后對拱肋屈曲穩定性影響不大，因此可知采取拱腳臨時配重措施后拱肋頂推時的穩定性能夠滿足施工中的要求。

參考文獻：

[1]袁明波.大跨徑梁拱組合結構橋梁整體頂推施工關鍵技術研究[D].南京：東南大學，2016.

[2]羅春林.武九客運專線西南下行聯絡線特大橋主橋橋式方案比選[J].鐵道標準設計，2015，59（6）：73-79.

[3]張 鶴，喬曉軍，張愛江，等.大跨徑梁拱組合體系拱橋整體頂推施工的理論計算及施工監測的對比分析[J].施工技術，2014，43（S2）：238-243.

[4]劉建廷.大跨度鋼桁梁柔性拱組合結構頂推設施設計[J].高速鐵路技術，2014，5（4）：82-88.

[5]謝福君，張家生.鋼箱梁頂推參數影響及穩定性分析[J].鐵道科學與工程學報，2019，16（6）：1 484-1 492.

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