大跨徑勁性骨架混凝土拱橋拱肋拼裝施工有限元模擬方法研究

韓偉華

（山西黎霍高速公路有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

拱橋跨越能力強、承載能力高，被廣泛應(yīng)用于各類公路橋梁、市政橋梁。勁性骨架混凝土拱橋是一種采用勁性骨架作為主要受力構(gòu)件的混凝土拱橋[1]，其主要用于特大跨徑的拱橋。勁性骨架可作為混凝土澆筑的模板使用[2]，在混凝土澆筑完成后，勁性骨架與混凝土實際上形成了一種組合作用，可較好地發(fā)揮鋼管承擔拉應(yīng)力、混凝土承擔壓應(yīng)力的優(yōu)勢[3]。由于其施工方式多采用埋置式拱架法，因此勁性骨架的安裝精度及線形直接決定了混凝土拱肋的線形[4-5]。

支架施工是勁性骨架混凝土拱橋常用的一種施工方式[6]，其主要方法為在拱橋施工位置按照設(shè)計線形預先設(shè)置支架，然后再進行勁性骨架的拼裝以及拱肋混凝土的澆筑。支架施工的優(yōu)勢在于拱肋線形易控制且不需要大型吊裝設(shè)備，但其對地形、地基要求極高，且施工時間較長。轉(zhuǎn)體施工法是預先在橋梁兩側(cè)架設(shè)支架，預先完成半拱的澆筑，然后利用大型起重設(shè)備完成拱肋的轉(zhuǎn)體。轉(zhuǎn)體施工法的優(yōu)勢在于其對地基要求不高，但施工難度較高且線形不易控制。纜索吊裝法的主要方法為分節(jié)段將預先制造完成的拱肋節(jié)段分批次吊裝，最終形成完整的拱肋。

纜索吊裝法環(huán)境適應(yīng)性強[7]，可較好地適應(yīng)絕大多數(shù)的拱橋施工，因此被廣泛地采用，但如何建立精準的施工階段有限元模擬方法還需進一步研究。本文以某大跨徑勁性骨架混凝土拱橋為依托，對比了不同建模方式的有限元模擬方法的計算結(jié)果，提出了適用于大跨徑勁性骨架混凝土拱橋纜索吊裝施工的有限元模擬方法，為后續(xù)類似的工程建設(shè)項目提供了參考。

1 有限元模擬方法簡介

Midas Civil軟件模擬勁性骨架拱肋拼裝方法主要有兩種：不考慮構(gòu)件沿初始切線方向激活；考慮構(gòu)件沿初始切線方向激活。其基本原理簡介如下。

1.1 不考慮構(gòu)件沿初始切線方向激活

Midas Civil有限元模型建立時，各節(jié)點均含有一個初始坐標值。如圖1所示，當不考慮構(gòu)件沿初始切線方向激活時，當施工階段中進行節(jié)點及單元的激活時，不考慮施工節(jié)段的變形，均在其初始坐標值位置激活。

圖1 不考慮構(gòu)件沿初始切線方向激活

1.2 考慮構(gòu)件沿初始切線方向激活

如圖2所示，在結(jié)構(gòu)分階段激活時，為實現(xiàn)各節(jié)段結(jié)構(gòu)間較好的連接作用，考慮當前施工階段的切向角位移，用于計算下一階段的真實位移值。

圖2 考慮構(gòu)件沿初始切線方向激活

2 工程概況

大橋為上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，跨徑為155.0 m，拱圈矢高為39.3 m。

主橋上部采用15.0 m跨預應(yīng)力混凝土先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁方案。拱肋共分為11個吊裝節(jié)段，最大吊重為120.5 t，拱肋鋼管材質(zhì)為Q235，內(nèi)部無需灌注混凝土，拱肋鋼管通過矩形鋼和槽鋼聯(lián)結(jié)成為鋼架結(jié)構(gòu)。勁性骨架采用纜索吊裝斜拉扣掛方式施工，主拱圈采用C50混凝土分環(huán)分段澆筑施工。

3 有限元模型的建立

大橋拱肋共劃分為11個節(jié)段進行分節(jié)拼裝，利用Midas Civil建立該勁性骨架混凝土拱橋施工全過程有限元模型，建模結(jié)果如圖3所示。有限元模型均采用梁單元計算，單元截面尺寸依據(jù)設(shè)計圖紙而定。

圖3 Midas Civil全橋有限元模型

橋梁邊界條件如圖3所示，拱腳、塔架底部、扣索根部均采用固定約束。施工階段中，單元上的邊界條件與單元均在同一施工階段激活。

有限元模型的材料及其具體參數(shù)如表1所示?？鬯鞑牧喜捎肳ire1770，彈性模量為2.05×105MPa，計算中忽略其容重的影響。柱材料采用C30，彈性模量為3.00×104MPa，容重為25.00 kN/m3。塔架材料采用16Mn，彈性模量為2.10×105MPa，容重為76.98 kN/m3。勁性骨架采用Q345，彈性模量為2.06×105MPa，容重為76.98 kN/m3。

表1 建模參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

考慮拱橋施工過程中的自重荷載、施工荷載，計算分析該勁性骨架混凝土拱橋的全過程施工階段力學行為。以勁性骨架和節(jié)段拼裝完成為例，對比不同建模方式計算結(jié)果的差異，如圖4～圖7所示。

圖4 不考慮構(gòu)件沿初始切線模型頂緣應(yīng)力

圖5 不考慮構(gòu)件沿初始切線模型底緣應(yīng)力

圖6 考慮構(gòu)件沿初始切線模型頂緣應(yīng)力

圖7 考慮構(gòu)件沿初始切線模型底緣應(yīng)力

勁性骨架應(yīng)力計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

a）不考慮構(gòu)件初始切線、考慮構(gòu)件初始切線的建模方法對于拱橋勁性骨架的應(yīng)力計算結(jié)果無明顯的影響。

b）勁性骨架上弦桿、下弦桿應(yīng)力均為負值，該拱肋勁性骨架主要承擔壓應(yīng)力。

c）上弦桿的應(yīng)力值在-17.489 MPa左右，下弦桿的應(yīng)力值在-4.04 MPa左右，上弦桿的應(yīng)力值要明顯大于下弦桿。

d）勁性骨架腹桿、斜桿的應(yīng)力值在4.0 MPa左右，主要承擔拉應(yīng)力，在勁性骨架結(jié)構(gòu)中主要起到傳遞剪力，連接上、下弦桿的作用。

4.2 變形分析

考慮構(gòu)件沿初始切線、不考慮構(gòu)件沿初始切線有限元模型變形計算結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 不考慮構(gòu)件沿初始切線激活模型變形

圖9 考慮構(gòu)件沿初始切線激活模型變形

圖10 不考慮構(gòu)件沿初始切線激活模型變形值

圖11 考慮構(gòu)件沿初始切線激活模型變形值

不同有限元模擬方法對其變形影響分析結(jié)果如下所示：

a）由圖8可知，對于不考慮構(gòu)件沿初始切線方向的計算模型，各拱肋節(jié)段連接程度較差，這是由于該建模方法各節(jié)段單元均在其設(shè)計位置激活，因此當前置施工節(jié)段的單元發(fā)生變形后，前置與后置單元無法較好地銜接。

b）由圖9可知，對于考慮構(gòu)件沿初始切線方向的計算模型，各拱肋節(jié)段連接程度較為平順，有限元模擬較為符合實際施工情況，考慮構(gòu)件沿初始切線方向的有限元模擬方法可較好地模擬拱肋拼裝。

c）由圖10可知，對于不考慮構(gòu)件沿初始切線方向位移的有限元模型，其在X=30 m、X=60 m、X=90 m、X=120 m處的位移分別為 10.52 mm、24.88 mm、18.14 mm、5.67 mm。

d）由圖11可知，對于考慮構(gòu)件沿初始切線方向位移的有限元模型，其在X=30 m、X=60 m、X=90 m、X=120 m處的位移分別為 12.34 mm、26.54 mm、17.28 mm、5.55 mm。

e）對比圖10、圖11可知，相較于不考慮構(gòu)件沿初始切線方向位移的有限元模型，考慮構(gòu)件沿初始切線方向位移的模型拱肋跨中位移可提高6.67%，其模擬精度較高且與實際施工狀態(tài)相符。

5 結(jié)語

本文以某大跨徑勁性骨架混凝土拱橋為例，建立拱肋勁性骨架施工有限元模型，研究了不同有限元模擬方法的計算結(jié)果差異，主要得出如下結(jié)論：

a）不考慮構(gòu)件初始切線、考慮構(gòu)件初始切線的建模方法對于拱橋勁性骨架的應(yīng)力計算結(jié)果無明顯的影響。

b）勁性骨架上弦桿、下弦桿應(yīng)力均為負值，且上弦桿的應(yīng)力值要明顯大于下弦桿，說明該拱肋勁性骨架主要承擔壓應(yīng)力。

c）勁性骨架腹桿、斜桿的應(yīng)力值在4.0 MPa左右，主要承擔拉應(yīng)力，在勁性骨架結(jié)構(gòu)中主要起到傳遞剪力，連接上、下弦桿的作用。

d）對于不考慮構(gòu)件沿初始切線方向的計算模型，各拱肋節(jié)段連接程度較差，前置與后置單元無法較好地銜接。

e）相較于不考慮構(gòu)件沿初始切線方向位移的有限元模型，考慮構(gòu)件沿初始切線方向位移的模型拱肋跨中位移可提升6.67%，建模精度較高且吻合實際施工狀況。