利用既有老橋吊裝梁拱組合結構新橋的受力分析

（安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽合肥 230601）

近些年，我國交通建設飛速發(fā)展，交通客運流量逐漸增大，部分老式橋梁已經(jīng)無法滿足我國日益增長的客運流量需求[1]。為了更好地服務于現(xiàn)代交通，可采用吊裝結構自重輕、施工工期短、跨徑靈活、造型優(yōu)美、受力合理的梁拱組合橋，對老式橋梁進行優(yōu)化或替換[2-3]。隨著我國橋梁建設不斷發(fā)展，梁拱組合橋的施工難度不斷加大，其施工存在很多工況，如跨越河流、鐵路、高速公路等，在橋梁施工中占據(jù)重要的位置[4]。梁拱組合橋按照結構的支撐形式可分為簡支梁拱組合體系橋、單懸臂梁拱組合體系橋、連續(xù)梁拱組合體系橋等。梁拱組合橋施工過程中需要考慮合理的成橋狀態(tài)，應對結構的受力情況進行周密計算，其建設已逐漸成為我國公路建設的主要形式，提高了國家公路建設的效率，對公路建設產(chǎn)生了積極意義[5]。相較于直接跨河流、鐵路等吊裝梁拱組合橋施工，在既有老橋上開展梁拱組合橋吊裝施工難度較大，需考慮下部老橋受力情況。本文以引江濟淮工程巢湖路橋施工為背景，對梁拱組合橋吊裝施工方案進行研究，對梁拱組合橋在永久和可變荷載作用以及荷載組合下的受力情況等進行了分析。

1 工程概況

引江濟淮工程巢湖路橋橫跨派河，上游約為840 m，下游約為470 m。橋位處有一座5 m×20 m預制空心板橋，橋面寬為33.0 m。

橋下通航凈寬和凈高均不滿足通航要求，需應在老橋主梁搭設臨時支架并進行新橋梁拱組合橋吊裝施工，包括鋼箱梁、鋼拱肋、預應力鋼絞線吊桿、預應力鋼絞線系桿等。梁拱組合橋橋型為下承式連續(xù)梁系桿拱橋，跨徑為（50+135+50）m，主橋長235.0 m，寬38.5 m。

巢湖路新、老橋位置關系如圖1所示。

圖1 巢湖路新、老橋位置關系（單位：mm）

2 梁拱組合橋安裝施工

2.1 鋼箱梁安裝施工

鋼箱梁吊裝前，將構件進行分段，梁縱向分成9段，標準段長為12 m，跨中段為7.4 m，鋼混段為10.3 m，箱梁斷面寬為38.5 m，沿寬度方向分成11個小箱體。

吊裝時，先搭設一側鋼混段支架，吊裝鋼混段鋼梁，再進行混凝土施工和預應力張拉，之后從一端向另一端搭設標準段支架，再進行標準段鋼箱梁的吊裝。往后依次進行支架搭設及鋼箱梁的吊裝，直至另一端鋼箱梁吊裝完畢。進行鋼箱梁吊裝時，橫向斷面安裝順序由中間向兩側安裝，鋼箱梁全部安裝完畢后，開始進行系桿張拉施工。

2.2 拱肋安裝施工

拱肋吊裝前，先進行臨時支架的安裝，臨時支架從兩端向中間進行安裝。安裝完畢后利用汽車吊先進行拱肋根部節(jié)段吊裝，兩側成對稱吊裝，主、幅拱同時吊裝，再進行斜撐與橫撐的安裝。

3 BIM技術概述與Revit建模

隨著我國橋梁建設的不斷發(fā)展，現(xiàn)代橋梁結構愈發(fā)復雜，建設難度越來越大，BIM技術的加入解決了橋梁施工中的困難[6]。

相對于傳統(tǒng)施工管理方法，BIM技術實現(xiàn)了3D模型與現(xiàn)場施工作業(yè)的高度匹配，充分提升了管理效果。BIM技術可模擬橋梁碰撞設計、場地布置、施工進度，可以進行精確快速的計算，得到工程量，BIM技術現(xiàn)在已經(jīng)廣泛運用在橋梁建設中[7]。

目前，Revit軟件已被社會各界廣泛使用，Revit建立梁拱組合體系時，主要依靠梁拱組合體系體量化建模、對整體結構參數(shù)化模擬。體量化建模時可使用體量工具對梁拱組合體系、體系中各部件進行初步定形，使模型的建立更具系統(tǒng)性。參數(shù)化建模可通過對梁拱組合體系進行變化參數(shù)等操作，以實現(xiàn)3D模型的參數(shù)化模擬。體量化與參數(shù)化的結合，使Revit建模更具說服力。

Revit建立梁拱組合橋前，應測量施工場地、橋墩位置與周圍建筑物的關系，可通過實際測量的數(shù)據(jù)對梁拱組合橋模型進行初步建立。

為了提高3D建模效率，應對3D模型進行底圖處理，將底圖從畫圖軟件CAD中導入Revit項目中，再對組合體系各部件、橋面附屬構件進行建模。

通過BIM可視化編程實現(xiàn)BIM參數(shù)化，提高建模質量。執(zhí)行BIM標準，可實現(xiàn)從實例到Revit軟件建模的良好轉換，確保模型的精細化[8]。

拱部件的BIM模型如圖2所示，梁部件的BIM模型如圖3所示。

圖2 拱部件BIM模型

圖3 梁部件BIM模型

梁拱組合橋整體模型渲染如圖4所示。

圖4 梁拱組合橋BIM模型渲染圖

4 MIDAS/Civil有限元計算分析

在老橋上部進行梁拱組合橋安裝施工，需要考慮眾多工況對老橋的影響。為了研究梁拱組合橋施工過程中的受力情況，將梁拱組合橋BIM模型導入MIDAS/Civil，并進行有限元分析計算。

梁拱組合橋有限元模型如圖5所示。

圖5 梁拱組合橋有限元模型

4.1 老橋驗算

在鋼箱梁安裝過程中，老橋墩頂支架單根鋼管樁最大反力為41 t，跨中支架的單根鋼管樁最大反力為14 t。汽車吊上新橋橋面安裝拱肋時，老橋墩頂處支架單根鋼管樁最大反力為70 t。

在該荷載作用下，老橋截面彎矩小于截面抗彎允許值，安全性滿足要求。

鋼箱梁安裝到拱肋安裝過程中，施工臨支架支反力結果如表1所示。

表1 臨時支架支反力結果 單位：t

4.2 新橋主梁驗算

橋梁在建造過程中受到永久荷載與可變荷載共同作用，對梁拱組合橋結構恒載、基礎沉降、可變荷載中的汽車荷載、溫度影響進行有限元計算。

結構自重取值γ1=26 kN/m3，二期荷載包括橋面鋪裝、防水和排水設施等，總計γ2=5 kN。

基礎沉降按每個基礎沉降的最不利荷載組合進行計算，基礎分別考慮最大沉降量為0.01 m。

考慮巢湖路梁拱組合橋只有一個固定支座，均勻溫度變化對橋內力不構成影響，故僅考慮梯度溫度的影響；車道荷載為城市A級，結構基頻f=0.567 Hz，沖擊系數(shù)μ=0.5。

溫度梯度取值如表2所示。

表2 溫度梯度取值

永久荷載作用下，恒載彎矩如圖6所示，基礎沉降彎矩如圖7所示。

圖6 恒載彎矩圖

圖7 基礎沉降彎矩圖

可變荷載作用下，溫度梯度彎矩如圖8所示，移動荷載彎矩如圖9所示。

圖8 溫度梯度彎矩圖

圖9 移動荷載彎矩圖

對梁拱組合橋進行承載能力極限狀態(tài)計算。承載能力極限狀態(tài)下荷載效應組合表達式為：

恒載產(chǎn)生最大彎矩為2.6×104kN·m，基礎沉降產(chǎn)生最大彎矩為4.1×104kN·m，溫度梯度變化產(chǎn)生最大彎矩為7.7×104kN·m，移動荷載產(chǎn)生最大彎矩為6.8×103kN·m。

承載能力極限狀態(tài)下，梁拱組合橋產(chǎn)生的最大彎矩值為9.4×104kN·m，均小于16.7×104kN·m；產(chǎn)生的最大剪力值為6.4×103kN＜Vdu=3.0×104kN，結果均滿足要求。

結構內力計算結果彎矩如圖10所示，剪力如圖11所示。

圖10 彎矩圖

圖11 剪力圖

4.3 新橋拱圈驗算

梁拱組合橋建造過程中，體系中拱圈的受力情況對梁拱組合橋具有較大影響，因此，對體系中拱圈內力進行計算：

計算得γN＜Nud，Nud=14 141.36 kN，拱圈抗壓承載力滿足要求。

5 結語

為研究在既有老橋上開展梁拱組合橋吊裝施工技術和新、老橋受力情況，以引江濟淮工程巢湖路橋施工為工程背景，對梁拱組合橋安裝施工方案進行了總結。通過Revit建立梁拱組合橋BIM精細化模型，將BIM模型導入有限元軟件MIDAS/Civil中，對老橋墩頂、跨中鋼管支架最大反力進行計算，對新橋主梁在永久、可變荷載作用及荷載組下產(chǎn)生的內力進行有限元分析計算。

（1）新橋安裝過程中，老橋跨中支架的單根鋼管支架最大反力為14 t。

汽車吊上新橋橋面安裝拱肋時，老橋墩頂處單根鋼管支架最大反力為70 t。

在該荷載作用下，老橋截面彎矩小于截面抗彎允許值，安全性滿足要求。

（2）承載能力極限狀態(tài)下梁拱組合橋主梁所受最大彎矩值為9.4×104kN·m＜Mdu，Mdu=16.7×104kN·m；

最大剪力值為6.4×103kN＜Vdu，Vdu=3.0×104kN，結果均滿足要求。

（3）梁拱組合橋拱圈截面最大軸力組合為14 141.36 kN，抗壓承載力滿足要求。