連續(xù)梁鋼管混凝土系桿拱橋拱肋施工研究

張 寶

(安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001)

1 引 言

鋼管混凝土系桿拱橋具有結(jié)構(gòu)體系受力合理、充分利用鋼材與混凝土材料特性、造型優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)效能好等優(yōu)點(diǎn)。近些年隨著施工工藝技術(shù)的發(fā)展，鋼管混凝土系桿拱橋在大跨徑橋梁工程中成為極富競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一。

鋼管混凝土拱橋在我國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)的計(jì)算理論和施工技術(shù)已取得相當(dāng)多的研究成果。鋼管混凝土拱橋的施工建造可一般分為“先梁后拱”與“先拱后梁”兩種施工方法。對(duì)于變截面箱體連續(xù)梁橋鋼管混凝土拱橋一般采用“先梁后拱”的施工方法進(jìn)行建造施工。鋼管混凝土拱常用的截面是啞鈴型截面，鋼管拱的架設(shè)一般是在連續(xù)梁合龍后，在梁上鋪設(shè)支架，然后對(duì)鋼管拱進(jìn)行吊裝架設(shè)，鋼管拱合龍后拆除支架，在鋼管腔體內(nèi)壓注混凝土。其中拱肋的吊裝施工是拱橋施工中非常重要的一步，其吊裝施工質(zhì)量直接影響整個(gè)拱橋成橋狀態(tài)和其后的運(yùn)營質(zhì)量。消除拱肋分節(jié)段吊裝施工過程中的豎向變形，保證施工完成后的拱肋線形達(dá)到理想狀態(tài)，一直是鋼管混凝土拱橋的施工建造的技術(shù)難點(diǎn)，。為了達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，保障橋梁的施工安全和橋梁后期運(yùn)營安全，本文應(yīng)結(jié)合橋梁實(shí)際施工方案，借助有限元模擬某連續(xù)梁系桿鋼管混凝土拱橋鋼管拱一次成型、5節(jié)段吊裝以及15節(jié)段吊裝施工過程，探究其施工階段拱肋位移和內(nèi)力變化規(guī)律，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 工程概況

新建鐵路連云港至徐州鐵路某連續(xù)梁系桿拱橋，拱肋采用鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/5，設(shè)計(jì)矢高33.6 m，理論計(jì)算跨徑為168 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為連續(xù)梁柔性拱組合結(jié)構(gòu)。連續(xù)梁全長(zhǎng)335.8 m，采用掛籃懸臂施工，懸臂段分為17段。主梁采用全預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室截面，中支點(diǎn)截面最低點(diǎn)梁高為9.6 m，中跨跨中及邊支點(diǎn)截面最低點(diǎn)梁4.2 m。橫橋向設(shè)置2道拱肋，拱肋中心間距為11.8 m，拱肋采用等高度啞鈴形截面，拱肋截面高度為3 m，拱肋外徑為1 m，壁厚為20 mm，拱肋內(nèi)部澆筑C55微膨脹混凝土，上線弦桿管中心距為2.2 m。全橋共設(shè)置16組吊桿，每組吊桿分為左、右幅拱肋各1對(duì)，每對(duì)分為A和B兩根吊桿，共計(jì)64根吊桿。

3 計(jì)算假定

鋼管混凝土拱肋施工過程中受拱肋節(jié)段自重作用和澆筑混凝土重力作用會(huì)產(chǎn)生豎向變形。考慮施工環(huán)境和鋼箱梁混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)行有限元分析時(shí)做出以下幾點(diǎn)計(jì)算假定。

(1)拱軸線一致性假定。中跨跨徑為168 m，設(shè)計(jì)矢高33.6 m。橋梁施工過程中拱肋累計(jì)最大變形量不超過6 cm，與跨徑相比屬于小變形。計(jì)算拱肋控制點(diǎn)豎向位移時(shí)均以設(shè)計(jì)拱軸線為基準(zhǔn)軸線。

(2)支架點(diǎn)處豎向位移與預(yù)抬高值關(guān)系假定。滿足小變形理論，假定自重作用下拱肋支架點(diǎn)初始的豎向位移值等于施工過程中相應(yīng)控制點(diǎn)的預(yù)抬高值。

(3)參數(shù)影響因素假定。鋼管混凝土拱橋施工過程中影響因素較多，如：結(jié)構(gòu)剛度、拱段的重量、施工荷載、溫度變化等，計(jì)算時(shí)假定這些參數(shù)均取理想值。

以某個(gè)拱肋節(jié)段吊裝施工階段為例，將拱肋節(jié)段自重荷載等效為均布荷載作用于該節(jié)段上。在該點(diǎn)吊裝過程中，不會(huì)引起后續(xù)待吊裝拱肋節(jié)段產(chǎn)生豎向位移，但會(huì)造成已經(jīng)吊裝完成后的拱肋節(jié)段產(chǎn)生豎向位移。第i段拱肋架設(shè)所引起的第j段拱肋豎向位移可表示成Δij。根據(jù)所劃分的拱肋施工順序，依次建立變形協(xié)調(diào)方程，求解支架反力，運(yùn)用圖乘法求解拱肋吊裝節(jié)段變形。考慮到超靜定方程求解的復(fù)雜性，運(yùn)用有限元軟件建立該橋施工階段分析模型，準(zhǔn)確計(jì)算得出各階段拱肋變形值Δij。

建立有限元分析模型共319個(gè)節(jié)點(diǎn)，共有313個(gè)單元。系梁、拱肋、橫撐均采用梁?jiǎn)卧M，共281個(gè)梁?jiǎn)卧坏鯒U采用只受拉桁架單元模擬，共32個(gè)桁架單元。連續(xù)梁施工分為18塊段，K0#～K17#塊段采用對(duì)稱懸澆，K18#塊段是在邊直段澆筑合龍及橋梁體系轉(zhuǎn)換后進(jìn)行澆筑。混凝土鋼管拱采用對(duì)稱澆筑模型，分為5個(gè)施工階段，計(jì)算分析中將鋼材截面用等效的混凝土截面代替。吊桿采用體外力的方式張拉，吊桿下側(cè)節(jié)點(diǎn)與連續(xù)梁梁體節(jié)點(diǎn)之間采用剛性連接方式。

模型中材料參數(shù)如下：連續(xù)梁梁體混凝土彈性模量取為36 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3，鋼管拱內(nèi)部澆筑混凝土彈性模量取為35.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3，拱肋鋼材彈性模量取為206 GPa，泊松比0.3，容重76.98 kN/m3，吊桿彈性模量取為205 GPa，泊松比0.3，容重78.5 kN/m3。

4 空鋼管拱肋架設(shè)過程中數(shù)據(jù)分析

在設(shè)計(jì)中拱肋分為15節(jié)段吊裝，編號(hào)從小里程至大里程分別為B1～B7、B8與B1′～B7′，其中B8節(jié)段為拱肋合龍段。在連續(xù)梁梁體上搭設(shè)支架，拱肋節(jié)段采用浮吊對(duì)稱吊裝。空鋼管拱肋吊裝施工分析中一般是一次成型，把拱肋架設(shè)過程中的臨時(shí)荷載等效均不荷載作用于梁體，計(jì)算梁體的受力與變形狀況，以保證梁體安全性。但是這一過程往往忽略空鋼管吊裝過程中的豎向變形，在拱肋實(shí)際施工中拱肋線形往往會(huì)比設(shè)計(jì)線形要低，甚至有可能無法滿足工程精度的要求。

為了探究拱肋吊裝過程中空鋼管吊裝過程中豎向變形情況。結(jié)合實(shí)際工程需要，將拱肋分為3種方案進(jìn)行模擬：第一種方案是拱肋一次成型忽略拱肋吊裝過程，第二種方案是按設(shè)計(jì)節(jié)段劃分進(jìn)行模擬，第三種方案是將B1～B3、B1′～B3′制作成一段，B4～B7、B4′～B7′制作成一段，分為5節(jié)段吊裝。拱肋節(jié)段劃分圖如圖1所示。

圖1 拱肋階段劃分圖及吊裝施工圖

空鋼管拱肋吊裝施工階段至支架拆除階段計(jì)算結(jié)果，如圖2和表1所示。

圖2 不同鋼管拱吊裝方案下拆除支架拱肋變形圖

表1 不同鋼管拱吊裝方案下拆除支架階段累計(jì)的拱肋變形表/mm

圖2可以得出，在拆除空鋼管支架階段采用7段吊裝方案時(shí)計(jì)算得出空鋼管的變形最大，比空鋼管一次成型模擬的拱肋變形大3 mm。采用分段吊裝方案時(shí)計(jì)算得出空鋼管的豎向變形與空鋼管一次成型的豎向變形整體上變形基本一致。

對(duì)比表1可以發(fā)現(xiàn)，5節(jié)段吊裝方案計(jì)算得出的累計(jì)拱肋豎向變形比一次成型方案計(jì)算得出的結(jié)果大20 mm，豎向變形最大位置在3L/8處。這是因?yàn)楸碇泄袄哓Q向變形的結(jié)果包含了橋梁梁體變形、支架變形以及拱肋變形。可以看出，一次成型方案與15節(jié)段吊裝方案計(jì)算得出的拱肋變形結(jié)果比較平順，在1L/2位置處的變形最大。而5節(jié)段吊裝計(jì)算得出的拱肋變形結(jié)果在3/8L處位置處的變形最大，3/8L處位于最長(zhǎng)吊裝拱肋的中點(diǎn)，在該節(jié)段拱肋架設(shè)到支架上，在自重作用下發(fā)生了較大的變形，其當(dāng)前階段累計(jì)變形是一次成型計(jì)算變形的2.67倍，是7段吊裝計(jì)算變形的1.88倍。

5 空鋼管拱肋澆筑過程中數(shù)據(jù)分析

通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)空鋼管拱肋不同吊裝方案導(dǎo)致空鋼管的拱肋豎向變形有著較大的差距，為了探究現(xiàn)有拱肋變形對(duì)后續(xù)拱肋施工的變形影響，分別計(jì)算了上管拱、下管拱以及中腹板混凝土澆筑拱肋的變形，并與實(shí)測(cè)的拱肋變形對(duì)比。具體計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 不同鋼管拱吊裝方案澆筑上管拱混凝土拱肋變形圖

圖4 不同鋼管拱吊裝方案澆筑下管拱混凝土拱肋變形圖

圖5 不同鋼管拱吊裝方案澆筑中腹板混凝土拱肋變形圖

通過對(duì)比圖3～圖5，在不同的混凝土澆筑階段，三種方案有限模型計(jì)算得出的拱肋變形趨勢(shì)一致，并與實(shí)測(cè)拱肋變形相吻合。說明在拱肋吊裝階段的變形，對(duì)后續(xù)拱肋的施工階段影響較小，可以忽略不計(jì)。不論采用哪種吊裝方案施工，當(dāng)拱肋合龍完成后，后續(xù)施工階段拱肋的變形基本一致。從圖中可以明顯得出，澆筑上管拱混凝土的變形最大，后續(xù)施工階段變形逐漸變小。

計(jì)算拱肋5節(jié)段吊裝方案與15節(jié)段吊裝方案計(jì)算得出的拱肋在施工過程中產(chǎn)生的豎向累計(jì)變形值與一次成型方案中拱肋施工的累計(jì)變形值比值，其結(jié)果如表2所示。

表2 兩種吊裝方案拱肋累計(jì)豎向變形值與

通過表2可以得出，5節(jié)段吊裝方案中吊裝階段的拱肋變形遠(yuǎn)大于拱肋15節(jié)段吊裝方案中該階段的變形值。5節(jié)段吊裝方案計(jì)算得出拱肋變形也均高出一次成型拱肋施工期間累計(jì)變形的30%以上。對(duì)比5節(jié)段吊裝方案的布置圖，發(fā)現(xiàn)高出的變形主要來源于拱肋吊裝過程中的變形，其次是來源于支架變形。而拱肋吊裝中產(chǎn)生的變形與支架間距布置方式有著較大關(guān)系，可以在空鋼管拱肋制作過程中設(shè)置制作預(yù)拱度的方式解決。15節(jié)段吊裝方案計(jì)算得出拱肋變形略大于一次成型拱肋變形的主要原因是支架壓縮變形。這部分變形可以在拱肋吊裝過程中可以運(yùn)用預(yù)抬的方式解決，最終對(duì)于拱肋成橋后線形的影響基本上可以消除。

提取三種方案模型中在空鋼管澆筑完成后主要位置處的彎矩值，結(jié)果如表3所示。

表3 不同鋼管拱吊裝方案拱肋澆筑

通過對(duì)比表，除1L/2位置處。一次成型計(jì)算得出的彎矩最小，5節(jié)段吊裝計(jì)算得出的彎矩最大，其次是15節(jié)段吊裝計(jì)算得出的彎矩。拱腳位置受力最大，隨著向1/2L受力逐漸趨于平穩(wěn)。

6 結(jié) 論

(1)對(duì)空鋼管分為15節(jié)段吊裝方案計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)空鋼管的變形受支架壓縮變形的影響。實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)應(yīng)結(jié)合施工方案，細(xì)化拱肋施工方案分析模型，通過采用預(yù)抬的方式消除支架壓縮變形影響。

(2)對(duì)空鋼管分為5節(jié)段吊裝方案計(jì)算分析，當(dāng)拱肋節(jié)段跨徑加大時(shí)，在吊裝過程中由于自重作用發(fā)生了較大的豎向變形。一般需要優(yōu)化拱肋節(jié)段劃分，或在制作過程中設(shè)置制作預(yù)拱度方式加以消除。

在實(shí)際類似橋梁的施工監(jiān)控中需要對(duì)拱肋吊裝施工過程進(jìn)行分析，以保證拱肋施工后的線形。同時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)拱腳位置處應(yīng)力的監(jiān)控。