基于有限元模型的大跨度剛架系桿鋼箱拱橋?qū)ΨQ(chēng)施工分析

王國(guó)銘,楊雨厚

(1.廣西壯族自治區(qū)藤縣公路養(yǎng)護(hù)中心,廣西 梧州 543399;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

拱橋因外形美觀、受力合理等特點(diǎn),成為大跨度橋梁的主要形式之一,其中系桿鋼箱拱橋應(yīng)用廣泛[1]。然而,由于系桿鋼箱拱橋復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的技術(shù)要求,在施工過(guò)程中存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此,為了確保施工安全和質(zhì)量,對(duì)大跨度剛架系桿鋼箱拱橋進(jìn)行施工分析與評(píng)價(jià)研究具有重要意義[2]。

有限元模型是一種基于數(shù)值計(jì)算的分析方法,可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析和變形預(yù)測(cè)[3]。在大跨度剛架系桿鋼箱拱橋的施工中,有限元模型可以用來(lái)確定橋梁在不同施工階段下的應(yīng)力、變形等參數(shù),以及檢驗(yàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求[4]。大跨度剛架系桿鋼箱拱橋的施工需要考慮到其特殊的施工方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在施工過(guò)程中需要對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并采取相應(yīng)的調(diào)整措施,以確保橋梁的穩(wěn)定性。針對(duì)各個(gè)構(gòu)件的受力情況,需要進(jìn)行承載能力分析和評(píng)估,以確保橋梁在使用過(guò)程中的安全性。

綜上所述,大跨度剛架系桿鋼箱拱橋?qū)ΨQ(chēng)施工是一項(xiàng)復(fù)雜而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鱗5]。通過(guò)有限元模型等數(shù)值計(jì)算方法,可以對(duì)橋梁的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行精確分析,并保障該類(lèi)結(jié)構(gòu)在施工及使用過(guò)程中的安全可靠性。本文以廣西某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋?yàn)槔?采用Midas Civil軟件進(jìn)行對(duì)稱(chēng)施工模擬,分析橋梁施工和成橋階段的主要參數(shù)。

1 工程概況

1.1 工程實(shí)例

廣西某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋,凈跨徑為120.0 m,凈矢跨比為1/4.44,主拱拱肋共分9個(gè)施工節(jié)段。為保證拱橋的整體穩(wěn)定,在兩片拱肋間共設(shè)置了5道橫撐,橫撐采用鋼箱結(jié)構(gòu),箱體內(nèi)設(shè)置縱向加勁肋與橫隔板。采用整束擠壓成型鋼絞線吊桿,全橋共設(shè)14對(duì)吊桿。采用全防腐型整束可換可調(diào)高強(qiáng)度低松弛鋼絞線成品拉索并用鋼保護(hù)蓋進(jìn)行防護(hù)。橋面系采用鋼格構(gòu)體系,橋面鋪裝采用7 cm瀝青混凝土,主墩為實(shí)體墩/承臺(tái)+樁基礎(chǔ)的形式。施工前清理現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行引橋以及主橋的樁基、承臺(tái)、主墩和拱肋拱座施工,然后采用分段拱肋安裝的方法施工拱肋與橫撐直至主拱合龍。在對(duì)稱(chēng)拆除支撐支架系統(tǒng)的同時(shí),張拉序號(hào)為N2、N3、N10和N11的系桿,其張拉控制力為1 400 kN,最后有序張拉序號(hào)為N4～N11的拱肋吊桿及序號(hào)為N5、N8、N13和N16、N1～N3和N12～N14的拱肋吊桿及N6、N7、N14和N15系桿。施工人行道、瀝青混凝土橋面面層及防撞墻、欄桿等附屬設(shè)施。最后對(duì)稱(chēng)張拉N2～N8號(hào)系桿(控制力為2 200 kN)、N10～N16號(hào)系桿(控制力為2 250 kN),全橋施工完畢,準(zhǔn)備通車(chē),如圖1所示。

1.2 全橋施工有限元模型

采用有限元模擬某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋的施工。通過(guò)Midas Civil 軟件進(jìn)行各施工階段的模擬計(jì)算,包括應(yīng)力和線形。有限元模擬計(jì)算結(jié)果將作為施工過(guò)程各階段線形和應(yīng)力控制的基礎(chǔ)。

如下頁(yè)圖2所示為某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋拼裝至竣工的關(guān)鍵施工階段結(jié)構(gòu)示意圖。該橋有限元模型的主要材料參數(shù)如表1所示。拱肋、橫撐、格構(gòu)梁采用Q355C鋼材,鋼橋面板采用Q235C鋼材,主墩、橋面板、人行道板、檢修道板混凝土采用C40混凝土,承臺(tái)混凝土與拱座混凝土分別采用C35與C50混凝土,吊桿與系桿采用φs15.24。永久荷載需要考慮鋼筋和混凝土容重,其取值見(jiàn)表1。瀝青橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、欄桿、系桿箱等結(jié)構(gòu)作為荷載考慮,橋面鋪裝荷載為0.07×24=1.68 kN/m2,防撞護(hù)欄荷載按梁?jiǎn)卧奢d施加(取值9.5 kN/m),人行道板及欄桿荷載按壓力荷載施加(取值6.0 kN/m2),檢修道板按壓力荷載施加(取值10.0 kN/m2)。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)考慮混凝土收縮徐變作用。系桿分兩次張拉,首次張拉控制力均為1 400 kN,二次張拉時(shí)N2～N8號(hào)系桿張拉控制力為2 200 kN,N10～N16號(hào)系桿張拉控制力為2 250 kN。對(duì)于可變荷載而言,主要考慮汽車(chē)荷載(公路-Ⅰ級(jí))、人群荷載(2.65 kN/m2)、系統(tǒng)溫度荷載以及溫度梯度荷載。

表1 有限元模型主要材料參數(shù)取值表

圖2 某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋施工過(guò)程圖

2 橋梁施工階段有限元計(jì)算分析

2.1 施工階段應(yīng)力分析

通過(guò)有限元模型計(jì)算,大跨度剛架系桿鋼箱拱橋上部結(jié)構(gòu)(包括主拱和橫撐)施工階段應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖3,以判斷橋梁的應(yīng)力狀態(tài)。圖3(a)、圖3(b)分別為主拱和橫撐施工階段的最大拉/壓應(yīng)力,其應(yīng)力值呈對(duì)稱(chēng)分布,主拱及橫撐施工階段最大拉應(yīng)力為15.1 MPa,最大壓應(yīng)力為74.6 MPa,均小于規(guī)范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足規(guī)范要求。

(a)最大拉應(yīng)力

基于有限元模型,本文得到大跨度剛架系桿鋼箱拱橋主橋格構(gòu)梁施工階段應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果匯總于圖4。由圖4可以看出,主格構(gòu)梁施工階段最大拉應(yīng)力為11.9 MPa,最大壓應(yīng)力為81.5 MPa,均小于規(guī)范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足規(guī)范要求。

(a)最大拉應(yīng)力

2.2 施工階段位移分析

由于施工階段工況較多,主橋主拱和格構(gòu)梁的位移分析僅選擇二次張拉系桿施工階段。基于有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析,可得到主拱及格構(gòu)梁施工階段累計(jì)位移結(jié)果,如圖5所示。由圖5可以看出,主橋主拱和格構(gòu)梁的累計(jì)位移呈對(duì)稱(chēng)分布,跨中主拱和格構(gòu)梁的累計(jì)位移最大。因此,在線形監(jiān)測(cè)中有必要密切關(guān)注位移變化,加以糾正,并合理調(diào)整。

(a)主拱

3 橋梁成橋階段有限元計(jì)算分析

3.1 成橋時(shí)內(nèi)力分析

基于橋梁竣工階段的有限元模型,大跨度剛架系桿鋼箱拱橋主拱及橫撐成橋內(nèi)力、格構(gòu)梁成橋內(nèi)力以及吊桿成橋索力通過(guò)模擬計(jì)算得到并分別繪制于圖6～7。從圖6(a)可以看出,該橋建成后主拱彎矩呈對(duì)稱(chēng)分布且變化相對(duì)均勻,最大彎矩出現(xiàn)在主拱和格構(gòu)梁的連接處,橫撐處彎矩也較為均勻地對(duì)稱(chēng)分布。圖6(b)表明,橋梁竣工后的軸向力整體處于壓縮狀態(tài),且呈對(duì)稱(chēng)分布,總體上,軸向力從主拱和格構(gòu)梁的連接處向中間逐漸減小。在圖6(c)中,竣工橋梁的剪力也基本呈對(duì)稱(chēng)分布。此外,根據(jù)圖7,該大跨度剛架系桿鋼箱拱橋施工完成后,格構(gòu)梁的彎矩、軸向力、剪力總體來(lái)看呈對(duì)稱(chēng)分布,內(nèi)力的變化相對(duì)均勻,最大彎矩出現(xiàn)在格構(gòu)梁的兩側(cè)。

(a)彎矩

(a)彎矩

3.2 主拱、橫撐及格構(gòu)梁驗(yàn)算分析

3.2.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

主橋成橋時(shí)主拱及橫撐承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果如圖8(a)、圖8(b)所示。可以看出,承載能力極限狀態(tài)基本組合下,主拱及橫撐頂面應(yīng)力在-118.7～23.1 MPa,均小于規(guī)范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足要求。如圖8(c)、圖8(d)所示為主橋成橋時(shí)格構(gòu)梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果。承載能力極限狀態(tài)基本組合下,格構(gòu)梁頂面應(yīng)力在-149.2～140.8 MPa,均小于規(guī)范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足要求。

(a)主拱及橫撐頂面最大拉應(yīng)力

3.2.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

正常使用極限狀態(tài)荷載組合下,主橋成橋時(shí)主拱及橫撐與格構(gòu)梁的驗(yàn)算結(jié)果如圖9所示。由圖9(a)、圖9(b)可以看出,正常使用極限狀態(tài)荷載組合下,主拱及橫撐頂面應(yīng)力為-53.7～3.2 MPa;圖9(c)、圖9(d)表明格構(gòu)梁頂面應(yīng)力為-118.1～107.9 MPa,均小于規(guī)范允許的270/1.1=245.5 MPa,滿足要求。

(a)主拱及橫撐頂面最大拉應(yīng)力

3.3 吊桿與系桿驗(yàn)算分析

主橋承載能力極限狀態(tài)下吊桿索力結(jié)果見(jiàn)圖10(a)。承載能力極限狀態(tài)下吊桿最大索力為2 189.4 kN。主橋所用吊桿規(guī)格為GJ15-27,破斷索力為7 020 kN,全橋吊桿最小安全系數(shù)為7 020/2 189.4=3.2>2.5,滿足《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D6506-2015)5.8.1條鋼絞線吊桿持久狀態(tài)下安全系數(shù)≥2.5的要求。主橋承載能力極限狀態(tài)下系桿索力結(jié)果見(jiàn)圖10(b)。可以看出,承載能力極限狀態(tài)下系桿最大索力為2 991.2 kN。主橋所用系桿規(guī)格為GJ15-31,破斷索力為8 072.4 kN,全橋系桿最小安全系數(shù)為8 072.4/2 991.2=2.7>2.0,滿足規(guī)范中鋼絞線系桿持久狀態(tài)下安全系數(shù)≥2.0的要求。

(a)吊桿

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元方法對(duì)廣西某大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋進(jìn)行對(duì)稱(chēng)施工分析。采用Midas Civil軟件計(jì)算系桿鋼箱拱橋在施工階段和成橋階段的變形和應(yīng)力,可為大跨度下承式剛架系桿鋼箱拱橋施工提供理論依據(jù),用于指導(dǎo)實(shí)際施工。

(1)在施工階段,主拱及橫撐的最大拉/壓應(yīng)力(15.1 MPa/74.6 MPa)呈對(duì)稱(chēng)分布;格構(gòu)梁最大拉/壓應(yīng)力分別為11.9 MPa/81.5 MPa,均小于規(guī)范允許值245.5 MPa,滿足規(guī)范要求。主拱和格構(gòu)梁的累計(jì)位移同樣呈對(duì)稱(chēng)分布,且在跨中處累計(jì)位移最大。

(2)在成橋階段,主拱及橫撐成橋內(nèi)力、格構(gòu)梁成橋內(nèi)力以及吊桿成橋索力的有限元模擬結(jié)果基本呈對(duì)稱(chēng)分布且變化相對(duì)均勻。考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下荷載組合,主拱、橫向支撐和格構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

(3)吊桿和系桿在承載力極限狀態(tài)下的最大索力分別為2 189.4 kN和2 991.2 kN,對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)分別為3.2和2.7,大于規(guī)定值2.5和2.0。