大跨度鐵路鋼管混凝土拱橋施工階段受力特性分析

王東旭

（武九鐵路客運專線湖北有限責(zé)任公司，武漢 430056）

鋼管混凝土拱橋具有跨越能力強、施工便捷等特點，是大跨度公路及鐵路橋梁的比選方案之一［1-3]。鋼管混凝土拱橋拱肋施工方法主要有轉(zhuǎn)體施工法、支架法、同步提升法、纜索拼裝法等［4-5]。其中，纜索拼裝法能有效解決地勢條件差、場地狹小等難題，是大跨度鋼管混凝土拱橋無支架施工中最常用的施工方法。采用該方法在山區(qū)或河谷［6]修建大跨徑鋼混混凝土拱橋時，施工過程中主橋結(jié)構(gòu)的受力和變形一直是設(shè)計和施工人員關(guān)注的重點。李曄等［7]提出了斜拉索扣索索力優(yōu)化模型，并以重慶朝天門大橋為背景，對各索扣在施工過程中的索力進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，施工期間索力對結(jié)構(gòu)的線形合理性、穩(wěn)定性和安全性有重要影響，索力實測值與理論優(yōu)化值誤差小于3%。郭鑫［8]通過對茅草街大橋施工過程的模擬和分析表明，扣索、背索的布置形式以及扣索索力對鋼管混凝土拱橋的成橋狀態(tài)影響顯著，且優(yōu)化纜風(fēng)索的布置形式能有效增強主塔塔架的整體穩(wěn)定性。郭金亮等［9]以主跨220 m 的鋼管混凝土拱橋為研究對象，對拱肋吊裝拼裝過程中的合理線形及其控制方法進(jìn)行了研究。施洲等［10]對藏木橋施工過程中纜索及塔架的非線性受力特性進(jìn)行了研究，對比研究結(jié)論與理論計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)主索滑移和塔架偏位對結(jié)構(gòu)的受力有較大影響。劉宇飛等［11]以主跨575 m 的鋼管混凝土拱橋為例，分析了拱肋施工過程中溫度效應(yīng)對拱肋線形的影響，并提出了減小拱肋施工階段溫度影響的方法。

本文以一座主跨430 m 的山區(qū)大跨度鐵路鋼管混凝土拱橋為例，采用MIDAS/Civil對該橋的實際施工過程進(jìn)行模擬，并分析拱、梁等結(jié)構(gòu)的受力與變形特征，為大橋施工控制提供技術(shù)資料。

1 工程概況

大跨度鐵路鋼管混凝土拱橋全長525.1 m，主跨采用430 m 中承式鋼管混凝土提籃拱，為我國跨度最大的鐵路鋼管混凝土拱橋。結(jié)構(gòu)總體布置見圖1。

該橋拱肋平面內(nèi)矢高為112 m，矢跨比為1∶3.84，拱軸系數(shù)為2.1，提籃拱肋的內(nèi)傾角為4.6091°，拱頂和拱腳處上下游拱肋中心距分別為7，25 m。拱肋截面由4 根鋼管混凝土組成，鋼材等級為Q420，內(nèi)填混凝土等級為C60。左右鋼管橫橋向中心間距均為3 m，每隔8 m 設(shè)置直徑1.1 m 的平連桿進(jìn)行連接。上下鋼管采用變高度設(shè)計，拱頂和拱腳處內(nèi)外層鋼管中心高度分別為7.2，13.2 m，鋼管中心高度按懸鏈線方程漸變過渡，上下鋼管通過H 型鋼或箱形桿件和整體節(jié)點板對拼連接。拱肋鋼管采用變直徑設(shè)計，拱腳局部鋼管直徑1.8 m，其余鋼管直徑1.6 m，中間設(shè)2 m 過渡段，拱肋壁厚為28～52 mm。主拱采用“一，N，K，米”字形相結(jié)合的橫向支撐形式。為加強上下層橫撐的連接和拱肋結(jié)構(gòu)整體受力，在上下橫撐之間設(shè)置豎向連接桿，拱肋橫截面見圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)總體布置（單位：m）

圖2 拱肋橫截面（單位：m）

該橋主梁為單箱雙室變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，混凝土等級為C55，邊跨及次邊跨為變高梁段，梁端及中支點梁高為3 m；1#，2#邊主墩處梁高為4 m，變化段梁高以二次拋物線進(jìn)行變化；主跨為等高梁段，梁高為3 m。邊跨及次邊跨箱梁頂板寬12 m，主跨箱梁頂板寬18 m。主跨從中支點起23.55 m范圍內(nèi)為變寬梁段，頂板寬由12 m 線性變化至18 m，底板寬由6.4 m線性變化至12.0 m。主跨梁段橫截面見圖3。

圖3 主跨梁段橫截面（單位：cm）

2 有限元模型

根據(jù)大橋劃分的施工階段，采用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型進(jìn)行受力特性與變形特性分析，分析過程中未考慮施工控制的影響。有限元模型中采用梁單元對拱肋、主梁進(jìn)行模擬，采用桁架單元對吊桿進(jìn)行模擬。其中，主拱離散為1866 個梁單元，主梁離散為344 個梁單元，吊桿離散為86 個桁架單元。有限元模型中包含了起吊裝作用和錨固作用的塔架、扣索等，塔架各組成構(gòu)件采用梁單元進(jìn)行模擬，纜風(fēng)索、扣索等采用只受拉索單元進(jìn)行模擬。根據(jù)實際情況使用彈性連接或剛性連接對模型約束，通過約束拱腳節(jié)點全部自由度來模擬拱座對拱腳的固結(jié)效果，采用固定鉸支座及活動鉸支座模擬橋墩對主梁的支承作用。

大橋采用斜拉扣掛無支架法施工，施工過程共劃分為46 個施工階段，見表1。首先在河兩岸架設(shè)纜索體系，通過纜索體系吊裝拱肋節(jié)段（節(jié)段1—節(jié)段14），待拱肋合龍并填充混凝土后一次性拆除扣索，再進(jìn)行主梁施工，并依次張拉主梁預(yù)應(yīng)力筋和吊桿。

表1 施工階段

3 主橋和吊桿受力分析

3.1 主橋應(yīng)力

按照施工階段對拱肋及主梁受力特性進(jìn)行分析，關(guān)鍵截面應(yīng)力變化曲線見圖4。

圖4 關(guān)鍵截面應(yīng)力變化曲線

由圖4（a）可知：拱肋壓應(yīng)力隨施工進(jìn)程呈增大趨勢，拱腳、1/4 拱肋、拱頂壓應(yīng)力在拆除扣索前（施工階段17）增幅較小；一次性拆除扣索后，拱肋自重全部由自身承擔(dān)，導(dǎo)致拱肋壓應(yīng)力明顯增加。由于拱肋沿拱軸線方向采用不同直徑的拱圈，且拱肋鋼管厚度是漸變的，因此拱肋各關(guān)鍵截面壓應(yīng)力增幅比較均勻，且拱頂壓應(yīng)力大于拱腳壓應(yīng)力。主梁架設(shè)期間，拱腳、拱肋壓應(yīng)力增幅分別為35.4，21.0 MPa。

由圖4（b）可知，由于該橋主跨梁節(jié)段對稱施工，橋梁兩側(cè)相應(yīng)主梁截面壓應(yīng)力差異較小。1#，2#墩附近的主梁截面在邊跨澆筑過程中壓應(yīng)力水平較低，邊跨合龍并拆除掛籃和支架后（施工階段18），壓應(yīng)力增幅較為明顯，平均增幅6 MPa。隨著梁節(jié)段的澆筑，1#，2#墩附近截面壓應(yīng)力總體呈先減后增的規(guī)律，但整體變化幅度不大。表明由于吊桿的作用，梁節(jié)段澆筑對邊跨梁截面的應(yīng)力影響較小。主跨1/4 截面和3/4截面壓應(yīng)力較小，且小于邊墩截面。隨著梁節(jié)段的施工，壓應(yīng)力逐漸增加，但變化較為平緩；當(dāng)梁節(jié)段合龍并張拉鋼束后（施工階段45），壓應(yīng)力突然增加，平均增幅4.5 MPa。合龍后邊墩截面和主跨截面壓應(yīng)力差異較小，平均值為8.9 MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計值25.3 MPa。

3.2 吊桿應(yīng)力

選取主跨一側(cè)的部分吊桿進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果見圖5。可知，隨著施工的進(jìn)行，新安裝的吊桿拉應(yīng)力始終大于該施工階段之前安裝的吊桿拉應(yīng)力，且吊桿拉應(yīng)力基本呈先增后減的規(guī)律。施工主梁合龍段以及施加二期恒載時（施工階段45—46），距離塔梁結(jié)合部較近的1 號和2 號吊桿拉應(yīng)力有明顯增加，而遠(yuǎn)離拱梁結(jié)合部的吊桿在合龍后拉應(yīng)力有所減小。原因是合龍后由于鋼束的張拉導(dǎo)致跨中梁體上拱，靠近拱梁結(jié)合點的吊桿承擔(dān)的荷載增加，遠(yuǎn)離拱梁結(jié)合點的吊桿承擔(dān)的荷載減小。所有吊桿中，20 號吊桿的拉應(yīng)力最大，其值為373.7 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1116.0 MPa。

圖5 吊桿應(yīng)力變化曲線

4 拱肋和主梁位移分析

4.1 拱肋豎向位移

拱肋采用吊裝拼裝法進(jìn)行施工，整個分析過程中以拱肋空鋼管在自重作用下的裸拱線形作為控制目標(biāo)線形，即空鋼管拱肋變形疊加合龍成拱的累積變形后剛好處于設(shè)計線形位置。施工過程中，左側(cè)扣索索力為500～1416 kN，右側(cè)扣索索力為483～1762 kN，扣索對應(yīng)的拱肋節(jié)段序號越大，張拉索力越大，且同一扣索的索力隨施工階段的變化不大。典型施工階段的拱肋豎向位移變化曲線見圖6。其中橫坐標(biāo)0 點為拱頂對應(yīng)位置。

圖6 拱肋豎向位移變化曲線

由圖6（a）可知，拱肋豎向位移往拱頂方向逐漸增大。在拱肋節(jié)段拼裝施工過程中，豎向位移持續(xù)增加，當(dāng)拱肋合龍時（施工階段15），豎向位移最大值為-79.6 mm（位于拱頂），拱肋變形曲線呈U 形。當(dāng)拱肋內(nèi)灌注混凝土后（施工階段16），在自重作用下拱頂豎向位移迅速增大，達(dá)到-121.2 mm，拱肋部分節(jié)段出現(xiàn)上拱，最大值為18.6 mm，位于主跨內(nèi)距離右側(cè)拱腳71 m 處。一次性拆除扣索后（施工階段17），豎向位移分布規(guī)律與上一個施工階段差異顯著，但拱頂最大變形差異不大。越靠近拱頂，豎向位移越大，總體變形合理。

由圖6（b）可知，隨著主跨梁節(jié)段的澆筑和吊桿的安裝，拱肋變形曲線從U 形變?yōu)閃 形，再逐漸變?yōu)閂形，即拱頂豎向位移先減小再增大。主跨合龍時（施工階段45），拱頂最大豎向位移為-214.1 mm。施加二期恒載后（施工階段46），拱肋豎向位移繼續(xù)增大，拱頂最大豎向位移達(dá)到-253.7 mm。

4.2 主梁豎向位移

圖7 主梁豎向位移變化曲線

已施工完成的主梁豎向位移隨施工進(jìn)程不斷變化，主梁豎向位移變化曲線見圖7。可知，隨著施工的進(jìn)行，已施工的梁體逐漸被后續(xù)施工的梁體抬升，甚至出現(xiàn)上拱。距主跨跨中160 m 的梁節(jié)段豎向位移由-10.1 mm（施工階段28）變?yōu)?0.5 mm（施工階段44）。跨中合龍并張拉相應(yīng)鋼束后（施工階段45），梁體最大豎向位移減小。跨中豎向變形合龍后比合龍前有一個明顯的突變，這是張拉剩余預(yù)應(yīng)力筋及張拉合龍塊吊桿導(dǎo)致的。在實際施工過程中可以通過施工控制對豎向位移進(jìn)行調(diào)整。施加二期恒載后（施工階段46）整體豎向位移均有所增加，最大豎向位移達(dá)到-156.8 mm，撓跨比約為0.41/1000。

5 結(jié)論

1）拱肋應(yīng)力隨施工的推進(jìn)逐漸增大，拱頂壓應(yīng)力大于拱腳壓應(yīng)力；成拱后拆除扣索時拱肋壓應(yīng)力明顯增加；主梁架設(shè)期間，拱腳、拱肋壓應(yīng)力增幅分別為35.4，2 1.0 MPa。

2）由于該橋主跨梁段為對稱施工，橋梁兩側(cè)相應(yīng)主梁截面應(yīng)力差異較小；成橋后主梁各截面壓應(yīng)力比較均勻，約為8.9 MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計強度25.3 MPa。

3）吊桿應(yīng)力隨施工進(jìn)程不斷重分布；成橋后20號吊桿拉應(yīng)力最大，其值為373.7 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1116 MPa，滿足設(shè)計要求。

4）拱肋混凝土灌注完成后，拱肋變形曲線呈U形，在主梁施工過程中則由U形變?yōu)閃形，成橋后呈V形。主梁合龍時，拱頂最大豎向位移為-214.1 mm，施加二期恒載后，拱肋豎向位移進(jìn)一步增大，拱頂最大豎向變形達(dá)到-253.7 mm。主梁整體變形中間大、兩頭小，施工過程中跨中最大豎向位移為-156.8 mm。