考慮施工過程的大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋受力分析

王 鋒 王平利

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司, 天津 300142； 2.中交一航局第四工程有限公司, 天津 300456)

近十幾年來,勁性骨架混凝土拱橋在我國發(fā)展迅速,它是利用型鋼、鋼管或鋼管混凝土作勁性骨架,然后在其基礎(chǔ)上搭建模板分段分層澆筑混凝土,形成的勁性骨架混凝土拱橋。這種橋型充分發(fā)揮了各自材料的特長,克服了大跨拱橋的施工困難,跨越能力很大。在基礎(chǔ)較好的峽谷地區(qū),實現(xiàn)一跨過谷,具有不可比擬的優(yōu)勢。拱肋的形成要經(jīng)過一系列體系轉(zhuǎn)換,其受力非常復(fù)雜,往往控制設(shè)計。本文以宜萬線鐵路上某橋為例,應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS做空間有限元精細模擬,進而對結(jié)構(gòu)安全性作出綜合評價,為類似拱橋的設(shè)計提供依據(jù)。

1 工程概況

該大橋位于直線上,橋上縱坡為17.7‰,為Ⅰ級雙線鐵路(預(yù)留復(fù)線),線間距4.2 m,主橋一次雙線,是一座1-178 m跨峽谷的上承式勁性鋼管混凝土骨架鋼筋混凝土拱橋(見圖1)。拱肋為勁性骨架鋼筋混凝土箱型,拱腳有3 m長實心段,兩片分離拱肋采用提籃式布置,傾角為5.057°,拱頂內(nèi)傾3.5 m。拱立面內(nèi)矢高為39.55 m,拱肋軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=2.814 m。拱上立柱為雙柱墩,在拱肋立柱及拱頂設(shè)橫撐。拱頂47.5 m長的一段做成框架,每隔9.5 m設(shè)一道斷縫,兩側(cè)各采用1聯(lián)5×14 m連續(xù)梁。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)總布置(單位:cm)

2 施工順序

本橋施工的順序為：①拱肋的施工；②拱上立柱的施工；③拱上框架的施工；④腳手架上施工橋面縱梁。其中,拱肋的施工步驟又分為：先用纜索吊裝施工鋼管骨架,然后灌注管內(nèi)混凝土,待混凝土達到設(shè)計強度后再分環(huán)灌注外包混凝土。按結(jié)構(gòu)性質(zhì),拱肋將經(jīng)歷三種狀態(tài)[7]。

(1)勁性骨架狀態(tài)：在泵送管內(nèi)混凝土時,承重結(jié)構(gòu)只有鋼結(jié)構(gòu),而混凝土只作為荷載,不計抗力。當混凝土達到強度要求時,鋼管和混凝土共同工作,成為剛管混凝土勁性骨架。

(2)勁性骨架的一部分被混凝土包裹的狀態(tài)：當混凝土還未硬凝時,混凝土只計重量,不計抗力。但當混凝土硬凝后,由于混凝土的截面比骨架桿件的截面大得多,結(jié)構(gòu)受力主要靠混凝土,而骨架桿件的作用就變得次要。

(3)成拱狀態(tài)(拱肋三環(huán)混凝土澆注完成)：勁性骨架則逐步成為拱圈截面混凝土的永久性配筋。

3 計算模型

本文采用大型通用軟件ANSYS的“單元生死技術(shù)”[1-2]模擬本橋的施工過程,其優(yōu)點是只需進行一次分析模型的建立,即在分析前一次性將成橋狀態(tài)的全橋分析模型建立好,然后根據(jù)各個階段的施工狀況，通過激活或殺死單元以及設(shè)置相應(yīng)的荷載步來模擬橋梁施工全過程。在分析過程中，可以通過局部處理將各個施工工況的單元內(nèi)力和結(jié)點位移隨時保存,供下一施工階段使用。

3.1 單元類型的選擇

目前在大部分通用有限元程序中,可以用于模擬鋼管混凝土勁性骨架拱橋的單元類型有若干種。不同種類單元,在計算精度、構(gòu)建模型的難易程度和計算量大小等諸方面存在較大差異。因此,如何針對鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工過程中各部位受力特點選擇相應(yīng)的單元類型是結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵。

本文主要基于以下原則來選擇單元：①選取的單元必須能最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的受力特性；

②必須保證計算結(jié)果具有足夠的精度；

③有限元模型建立要盡量簡便,計算工作量要盡量小,進行結(jié)果處理時也要比較方便。因此,在該大橋施工過程的受力分析中共用到了ANSYS軟件中的4種單元類型[2～6]。

①空間曲梁單元(beaml89)：主要模擬桁架拱肋的空鋼管以及混凝土灌注后鋼管內(nèi)的混凝土。

②空間直梁單元(beam188)：模擬鋼管桁架內(nèi)的所有弦桿,拱肋間的橫撐以及拱上立柱。

③殼單元(shell63)：模擬橋面縱梁以及拱頂框架。

④8結(jié)點的塊體單元(solid65)：模擬拱肋鋼骨架的外包混凝土。

3.2 有限元模型

在有限元建模過程中,把鋼管混凝土看成鋼管與混凝土的組合[6],生成共節(jié)點的兩個單元,各自的材料特性與實常數(shù)根據(jù)實際情況取定。這種方法中，鋼單元和混凝土單元是分開的,便于模擬施工過程。鋼管內(nèi)混凝土在未達到強度時,僅作為荷載作用于鋼管上,按均布荷載進行處理；達到強度要求后,考慮混凝土的抗力,但不考慮鋼管對管內(nèi)混凝土的套箍作用。

外包混凝土和勁性骨架分別用塊體元和空間梁元進行模擬,它們之間的共同作用通過共節(jié)點模擬。計算模型的選定過程,充分考慮了計算簡圖與實橋工作狀態(tài)的一致性,主要體現(xiàn)在：

(1)骨架結(jié)構(gòu)的桿件布置、連接情況、截面尺寸均保持與設(shè)計圖紙?zhí)峁┑那闆r相同,沒有添舍任何構(gòu)件,也未改變各結(jié)點的設(shè)計位置,計算簡圖與提供的設(shè)計圖一致。

(2)骨架外包混凝土采用塊體單元模擬,保證了計算精度。

(3)把施工活載換算成集中力施加到各個節(jié)點上,并且考慮了風荷載,風荷載按照鐵路橋涵基本規(guī)范計入,主橋施工過程中采用極大風速V=25 m/s,通過計算W=713 Pa。在每一個施工階段內(nèi),用荷載增量法進行分析。施工過程的有限元模型見圖2～圖5。

圖2 勁性骨架有限元模型

圖3 施工過程中的有限元局部

圖4 拱肋施工完畢后的模型

圖5 全橋施工完畢后的模型

4 計算結(jié)果及分析

4.1 計算結(jié)果

計算時考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性而不考慮材料非線性。限于篇幅僅列出典型階段的結(jié)果。骨架鋼管應(yīng)力見圖7～圖10,其中1號～4號鋼管位置見圖6所示。拱肋混凝土橫截面正應(yīng)力見圖11～圖13。

圖6 拱肋鋼管編號

圖7 灌注上弦混凝土時拱肋鋼管應(yīng)力

圖8 灌注完底板時拱肋鋼管應(yīng)力

圖9 灌注完腹板時拱肋鋼管應(yīng)力

圖10 灌注完頂板時拱肋鋼管應(yīng)力

圖11 灌注完腹板時拱肋混凝土應(yīng)力

圖12 灌注完頂板時拱肋混凝土應(yīng)力

4.2 結(jié)果分析

(1)拱肋骨架鋼管除2號鋼管拱腳局部出現(xiàn)拉應(yīng)力外,均處于受壓狀態(tài)；在施工同一環(huán)外包混凝土時,都是隨著施工階段的增長壓應(yīng)力增加。

圖13 恒載+雙線滿布活載作用下拱肋混凝土應(yīng)力

(2)施工第一環(huán)混凝土時鋼管應(yīng)力增長比較快；第二環(huán)和第三環(huán)混凝土施工時,由于前一環(huán)混凝土達到強度要求，大大增加了受力面積,施工荷載主要由混凝土承擔,使得鋼管應(yīng)力變化很小。

(3)拱肋混凝土在施工過程中均處于受壓狀態(tài),底板混凝土壓應(yīng)力最大。隨著施工的進展，底板混凝土壓應(yīng)力逐漸增加。成橋后在恒載+雙線滿布活載下，混凝土最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上坡端拱腳實心段頂部的內(nèi)側(cè)角點,最大值為-11.1 MPa,小于C50混凝土的極限強度,拱肋底板混凝土處于受力安全狀態(tài)。

5 結(jié)束語

(1)勁性骨架鋼管和外包混凝土均處于彈性階段,選擇的材料本構(gòu)關(guān)系比較合理。

(2)勁性骨架在拱圈外包混凝土分環(huán)施工過程中的作用逐漸減弱。從分析中可以看出:在拱圈底板混凝土參加工作后,勁性骨架的作用就很小了。

(3)拱肋混凝土整個施工過程均處于受壓狀態(tài),說明設(shè)計選擇的拱肋曲線比較合理。

(4)在設(shè)計荷載作用下,拱肋混凝土的壓應(yīng)力呈現(xiàn)出越靠近拱腳應(yīng)力越大的趨勢,從材料均勻受力的角度看,還可以進一步優(yōu)化截面。

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