大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工順序優化

王發正 張馨

摘要：對大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工順序進行優化，采用有限元軟件Midas/Civil對拱橋建模并進行數值模擬分析，計算施工方案1（從拱腳向拱頂架設拱上立柱，再從拱腳向拱頂架設T梁）、施工方案2（從拱頂向拱腳架設拱上立柱，再從拱頂向拱腳架設T梁）、施工方案3（從拱腳向拱頂方向同時架設拱上立柱和T梁）、施工方案4（從拱頂向拱腳方向同時架設拱上立柱和T梁）等4種方案下主拱圈控制截面的位移、應力和穩定性。在保障工程施工安全的前提下，遵循對稱加載的原則，優化調整拱上建筑施工順序。結果表明：成橋后施工方案3的位移和應力最小，且施工拱上建筑中，位移和應力變化幅度最小，施工方案3為最優施工方案。施工方案3對應的施工順序滿足結構施工安全的要求，且拱上立柱和橋面T梁可同步施工，有效縮短施工周期。

關鍵詞：上承式鋼管混凝土拱橋；數值分析；施工順序；優化

中圖分類號：U445.47文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0067-07

引用格式：王發正，張馨.大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工順序優化［J］.山東交通學院學報，2024，32（2）：67-73.

WANG Fazheng， ZHANG Xin. Construction sequence optimization for the construction of arch building on a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：67-73.

0?引言

近年來，隨纜索吊裝法的逐步成熟，鋼管混凝土拱橋因力學性能優異、施工便捷和美觀等優點廣泛應用在中大型跨越結構中[1]。拱上建筑是上承式鋼管混凝土拱橋的重要組成部分，直接承受并傳遞移動荷載[2-4]。對主拱圈已合龍的上承式鋼管混凝土拱橋，拱上建筑的施工影響主拱圈的位移、內力及穩定性，同時主拱圈的變形也會對拱上建筑的位移和內力產生影響[5-6]。采用對稱、均衡、多工作面加載的原則[7-8]優化拱上建筑施工順序，改善橋梁結構受力情況，縮短施工周期，為施工單位提高經濟效益和社會效益，對上承式鋼管拱橋的施工有重要的現實意義。

周建庭等[9]、林春姣等[10]、吳艷麗等[11]提出基于影響線加載法調整拱上建筑工序，可顯著提高拱橋的富余承載力。張博[12]、李玉忠等[13]、余錢華等[14]、宋俊杰等[15]提出拱上建筑施工應遵循對稱施工、均勻加載的基本原則，必要時可分階段、穿插進行，保證結構的安全和穩定。謝開仲等[16]、鄧鳳學[17]、尼瑪卓瑪[18]通過優化加載程序改善橋梁受力，縮短施工周期。李獻等[19]、雷盼等[20]優化拱上建筑的加載順序，并應用到拱式渡槽。但優化拱上建筑施工順序的相關文獻較少且研究時間較早。

本文在某鋼管混凝土拱橋拱圈合龍后，采用有限元軟件Midas/Civil建模，按對稱原則優化拱上建筑施工順序，以期改善主拱圈的變形、受力狀態，有效縮短施工周期，讓橋梁施工更加高效和經濟。

1?工程概況

某上承式鋼管混凝土拱橋的計算跨徑為330 m，矢跨比為1/5；拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m=1.543，橋梁結構如圖1所示。拱上立柱采用排架式矩形鋼箱結構，各柱肢分別固定于拱肋上弦桿上，沿立柱高度方向，按標準間距每隔8 m設置1道柱系梁。采用工廠分段制作、加工，現場分段吊裝、焊接的方式安裝立柱。立柱蓋梁采用矩形薄壁變截面鋼箱結構，采用工廠分段制作、加工，運至現場焊接成整體后再進行吊裝的方式安裝。橋面系采用25 m跨裝配式預應力混凝土T梁，每幅橋每孔布置5片T梁，結構簡支橋面連續，拱上建筑布置及編號如圖2所示。

2?拱上建筑施工順序

在主拱圈合龍并灌注混凝土后，原設計方案遵循對稱均勻的原則架設拱上立柱和蓋梁，從兩岸向跨中對稱吊裝就位后焊接；遵循對稱原則架設拱上車行道預制T梁時，即順橋向從拱腳向拱頂，橫橋向從中間向兩側架設。

該拱橋的施工周期短，作業量大。為保證全線在規定時間內通車，在保障工程施工安全的前提下，遵循對稱加載的原則，優化調整拱上建筑的施工順序。在拱上建筑施工前，擬定不同的拱上建筑施工順序方案，計算分析不同施工方案下主拱圈等的應力、位移和穩定性。根據計算結果選擇最優施工順序，在后續施工中監控主拱圈的應力及位移，保證橋梁在拱上建筑施工過程中的安全性，保證拱肋線形滿足設計要求。

根據立柱和橋面系T梁布置擬定4種施工方案，每個施工方案均由14個步驟組成。施工方案1為從拱腳向拱頂架設拱上立柱，再從拱腳向拱頂架設T梁。施工方案2為從拱頂向拱腳架設拱上立柱，再從拱頂向拱腳架設T梁。施工方案3為從拱腳向拱頂方向同時架設拱上立柱和T梁。施工方案4為從拱頂向拱腳方向同時架設拱上立柱和T梁。拱上建筑施工順序如表1所示，4種施工方案在2種施工順序下的施工示意圖如圖3～6所示。

3?計算分析

3.1?有限元模型建立

采用有限元軟件Midas/Civil根據設計圖紙建模并計算分析，全橋可劃分為6 128個節點和7 010個梁單元。采用施工階段聯合界面模擬拱圈管內混凝土，考慮混凝土收縮徐變，每個施工步驟為14 d。拱腳處約束簡化為固結約束，T梁與拱上立柱采用剛性連接。拱橋有限元模型如圖7所示。

根據表1擬定的4種拱上建筑施工順序完成灌注混凝土后，將4種施工方案均劃分為14個施工階段，分別代入拱橋有限元模型計算。因拱橋結構沿縱橋向對稱，對比分析主拱圈L/8、L/4、3L/8和拱頂截面的撓度、應力和穩定性。

3.2?位移結果分析

完成橋面鋪裝后，各施工方案主拱圈控制截面的位移如表2所示。由表2可知：完成橋面鋪裝后，施工方案3拱頂的位移最小，為-374.8 mm；施工方案1拱頂的位移略大于施工方案3；其次是施工方案2，施工方案4拱頂的位移最大，比施工方案3大18.8 mm。各施工方案下主拱圈控制截面位移相差不大，施工方案3略優于其他施工方案。

施工過程中，各施工方案主拱圈控制截面的最小位移和最大位移如表3所示。

由表3可知：在拱上建筑施工中，施工方案3拱頂的最小位移最小，為-147.3 mm；其次是施工方案1，略大于施工方案3，為-170.4 mm；施工方案2和施工方案4變化幅度相同，相較于施工方案3，拱頂的最小位移相差86.7 mm；施工過程中主施工方案3拱圈控制截面變化的最小位移優于其他施工方案。在拱上建筑施工中，施工方案3拱頂的最大位移最小，為-374.8 mm；施工方案1結果略大于施工方案3；其次是施工方案2，位移最大的是施工方案4，相較于施工方案3，拱頂最大位移相差48.0 mm。施工過程中施工方案3主拱圈控制截面變化的最大位移優于其他施工方案。

3.3?應力結果分析

完成橋面鋪裝后，各施工方案主拱圈拱肋截面的應力如表4所示。

由表4可知：完成橋面鋪裝后，施工方案3拱頂的應力最小，為-105.7 MPa；施工方案1的結果略大于施工方案3；應力最大的是施工方案4，相較于施工方案3，拱頂應力大7.2 MPa；完成橋面鋪裝后，各施工方案主拱圈控制截面應力結果相差不大，施工方案3略優于其他施工方案。

施工過程中，各施工方案主拱圈控制截面的最小應力和最大應力如表5所示。由表5可知：1）施工方案3拱頂的最小應力最小，為-54.3 MPa；施工方案1為-58.8 MPa，略大于施工方案3；施工方案2和施工方案4相同，相較于施工方案3，拱頂的最小應力大9.0 MPa。施工過程中主拱圈控制截面的最小應力相差不大，施工方案3優于其他施工方案。2）施工方案3拱頂的最大應力最小，為-123.3 MPa；施工方案1的最大應力略大于施工方案3；變動最大的是施工方案4，比施工方案3大8.4 MPa。施工過程中主拱圈控制截面變化的最大應力，施工方案3優于其他施工方案。

3.4?穩定性結果分析

采用有限元軟件Midas/Civil計算4種施工方案下施工過程的屈曲模態特征值，結果如圖8所示。

由圖8可知：4種施工方案的最小1階穩定系數均為7.9，大于安全系數4[21]，說明各方案施工過程中穩定性較高。原因是主拱圈合龍后，拱橋結構轉變為超靜定結構，主拱圈穩定性較高。施工方案2的平均穩定系數最大，其次是施工方案1，施工方案3、4相對偏小，但施工方案3波動較小，更平穩。

鋼管混凝土澆筑結束達到混凝土強度后，該拱結構為彈性超靜定拱結構，若不考慮混凝土的收縮徐變，無論拱上建筑施工順序如何變化，成橋后的位移和應力都不會改變。但在拱圈內澆筑混凝土后，管內混凝土與鋼結構拱圈共同受力，管內混凝土存在收縮徐變。模擬施工過程時考慮了混凝土的收縮徐變[22-25]。不同的施工過程造成拱橋結構在施工時位移和應力的累積。但在穩定性分析中，各施工工況為獨立模型，成橋后的結構穩定系數相同[26-28]。

綜合考慮主拱圈控制截面位移和應力，成橋后施工方案3的位移和應力最小，且拱上建筑施工過程中，位移和應力變化幅度最小，穩定性系數較高，為最優施工方案。施工方案3對應的施工順序滿足結構施工安全的要求，且拱上立柱和橋面T梁可同步施工，有效縮短施工周期，施工更高效，更經濟。

4?結論

1）拱上建筑施工順序對拱肋的受力和位移有較大影響。拱上建筑施工需對稱、均勻施工，使主拱圈受力均勻，保證拱圈的安全性。

2）拱上建筑的施工順序由拱腳向拱頂方向推移，拱圈的受力和位移變化比由拱頂向拱腳方向推移變化小。沿拱腳向拱頂方向，同步施工立柱和T梁拱圈受力最優，其次是先施工立柱，后施工T梁。

3）在大跨度鋼管混凝土拱上建筑施工前，須優化拱上建筑的施工順序，以理論分析為基礎，選取最優方案指導現場施工。在滿足結構施工安全的同時，可有效縮短施工周期，施工更加高效和經濟。

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Construction sequence optimization for the construction of arch building

on a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge

WANG Fazheng1， ZHANG Xin2

1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research ＆ Design Institute Co.， Ltd.， Chongqing 400067， China;

2.Chongqing Urban Construction Senior Technical School， Chongqing 402247， China

Abstract：In order to optimize the construction sequence of the upper arch structure of a large-span steel pipe concrete arch bridge， the finite element software Midas/Civil is used to model and numerically analyze the arch bridge. The displacement， stress， and stability of the main arch ring control section are calculated under four construction schemes： Scheme 1 （erecting the upper column from the arch foot to the arch crown and then the T-beam from the arch foot to the arch crown）， Scheme 2 （erecting the upper column from the arch crown to the arch foot and then the T-beam from the arch crown to the arch foot）， Scheme 3 （simultaneously erecting the upper column and T-beam from the arch foot to the arch crown）， and Scheme 4 （simultaneously erecting the upper column and T-beam from the arch crown to the arch foot）. Ensuring construction safety and following the principle of symmetric loading， the construction sequence of the upper arch structure Is optimized. Results show that after the bridge is completed， the displacements and stresses of Scheme 3 is the smallest with minimal variations during construction. The Scheme 3 is the optimal construction scheme. The construction sequence corresponding to Scheme 3 meets the safety requirements of structural construction， allowing simultaneous construction of the upper columns and bridge deck T-beams， effectively reducing the construction period.

Keywords：a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge; numerical analysis; construction sequence; optimization

（責任編輯：王惠）

收稿日期：2023-01-05

基金項目：國家重點研發計劃項目（2020YFF0217801）

第一作者簡介：王發正（1993—），男，重慶人，工程師，工學碩士，主要研究方向為橋梁檢測及健康監測，E-mail：923977154@qq.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.010