下承式簡支鋼管混凝土拱橋吊桿索力優(yōu)化研究

秦 鴻

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，重慶 401147)

下承式簡支鋼管混凝土拱橋吊桿索力優(yōu)化研究

秦 鴻

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，重慶 401147)

通過考慮某下承式簡支鋼管混凝土拱橋的施工過程，對其進行了有限元分析，得出了受力最為不利施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。本結(jié)構(gòu)為外部靜定的多次超靜定結(jié)構(gòu)，每一次對吊桿索力的調(diào)整都會影響到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布以及梁體、拱肋的線性，因而利用影響矩陣法對施工過程中的索力調(diào)整進行了優(yōu)化，使得成橋后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布更能符合設(shè)計要求。

簡支鋼管拱橋;施工階段;有限元;索力調(diào)整

鋼管混凝土拱橋具有施工快捷、跨徑大、強度高、延性好等優(yōu)點，近年來得到了快速的發(fā)展。在薄壁圓形鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的一種復合材料，它一方面借助內(nèi)填混凝土增強鋼管壁的穩(wěn)定性，同時又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于3向受壓狀態(tài)，從而使其具有更高的抗壓能力和抗變形能力。鋼管混凝土本質(zhì)上屬于套箍混凝土，理論分析和工程實踐表明［1-3］，在保持結(jié)構(gòu)自重力相近和承載能力相同的條件下，可節(jié)省鋼材約50%，焊接工作顯著減少;與普通鋼筋混凝土相比，在保持鋼材用量相當和承載能力相同的條件下，可減小構(gòu)件橫截面積約50%，混凝土和水泥用量以及構(gòu)件自重也相應(yīng)減少一半。

值得指出的是，鋼管混凝土拱橋在施工過程中存在著多次體系轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形處在不斷的變化過程中，施工過程中的任何偏差，都將影響結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)力狀態(tài)和線形標準，等［4］。關(guān)于拱橋索力調(diào)整領(lǐng)域的研究，趙光明，等［5］給出了索力調(diào)整工序的時機選擇及調(diào)索的具體實施方法。趙智強［6］采用頻率法對東莞水道特大橋建造過程中扣索塔纜索張力進行了實際測量與數(shù)據(jù)分析。肖光宏，等［7］以廣西永和大橋為實例建立計算模型，利用大型空間分析軟件MSC.Nastran對其在施工階段的線性穩(wěn)定性和非線性穩(wěn)定性進行了對比分析。裘新谷，等［8］通過有限元分析的方法計算某鋼管拱橋190 m跨衍架鋼錨箱在各種工況下局部應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力幅，以確保吊桿與拱肋節(jié)點的安全。前述針對各自具體情況的研究成果，對鋼管混凝土拱橋的設(shè)計和施工起到了重要作用。筆者將針對鋼管混凝土拱橋施工全程進行了有限元分析，以期為施工過程控制提供依據(jù)。

1 工程概況

橋孔布置為一孔80 m，擋墻內(nèi)側(cè)凈寬8.86 m，梁頂面寬16.2 m。橋面布置如圖1、圖2。

梁部采用雙主縱橫梁體系，主縱梁高3.0 m，梁端附近寬1.8 m，跨中附近寬1.4 m，橋面板厚0.28 m，端橫梁高3.0 m，寬2.5 m。

拱肋采用鋼管混凝土啞鈴形拱，鋼管直徑1.0 m，管壁厚16 mm，矢跨比1/5，鋼管內(nèi)灌注C50補償收縮混凝土。梁上吊點間距5.5 m，全橋共設(shè)11對吊桿。

圖1 橋面布置圖(單位:cm)Fig.1 Schematic layout of the deck

圖2大橋立面圖(單位:cm)Fig.2 Vertical view of the bridge

2 施工全過程有限元分析

2.1 建模前假設(shè)

1)平截面假定;

2)拱肋鋼管與混凝土間無相對滑移;

3)線彈性假定即所有材料在施工過程中均保持線彈性。橋梁結(jié)構(gòu)各種材料屬性經(jīng)換算后列舉如表1。

表1 材料屬性表Tab.1 Table of material property

2.2 施工過程階段劃分

1)在滿布支架上澆注現(xiàn)澆段混凝土及相應(yīng)橫梁、橋面板和小縱梁混凝土;

2)澆注后澆段，張拉部分縱向預應(yīng)力鋼束;

3)安裝拱腳、拱肋各節(jié)段以及橫撐、K撐，灌注鋼管拱肋內(nèi)混凝土;

4)拆除拱肋支架，安裝吊桿，各吊桿施加初張力1 000 kN;

5)張拉剩余預應(yīng)力鋼束;

6)拆除梁部支架;

7)調(diào)整各吊桿張拉力終值;

8)施工橋面二期恒載;

9)運營階段。

施工過程中應(yīng)設(shè)置后澆帶以解決設(shè)計中考慮的沉降差異、鋼筋混凝土的收縮變形以及混凝土的溫度應(yīng)力等問題(圖3)。如果不設(shè)后澆帶，由于鋼模板對梁體混凝土的彈性約束等作用，在張拉主梁預應(yīng)力混凝土時，將會使得橋面結(jié)構(gòu)受力，導致主縱梁中的預應(yīng)力損失。為了得到后澆帶設(shè)置對橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，用三維有限元軟件建立了空間有限元模型進行分析(圖4)。

計算結(jié)果表明:后澆帶設(shè)置對有效提高主梁預應(yīng)力有比較明顯的作用。為了調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力以使結(jié)構(gòu)受力合理，需對超靜定梁拱組合體系中吊桿張力進行調(diào)整。

圖3 施工過程階段Fig.3 Schematic diagram of construction stages

圖4 三維拱橋模型Fig.4 Model of the arch bridge

2.3 結(jié)構(gòu)有限元模型及結(jié)果分析

采用有限元軟件，對大橋施工全過程進行模擬分析，得出了各施工階段主梁、拱肋和吊桿關(guān)鍵部位的最大內(nèi)力、位移，并對吊桿張拉力進行了準確調(diào)整。

計算荷載考慮了恒載、活載、溫度梯度、整體升降溫、收縮、徐變、吊桿張拉力等作用的影響。該結(jié)構(gòu)屬于外部靜定的多次超靜定結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的受力比較復雜。限于篇幅僅給出受力較為不利的二期恒載上橋階段及運營階段的計算及分析結(jié)果(表2)。

表2 二期恒載上橋階段各控制截面內(nèi)力及應(yīng)力分布Tab.2 Inner force and stress of governing sections when secondary－stage dead load applied

由表2可知，在二期恒載上橋階段，拱腳處、拱頂產(chǎn)生了較大的彎矩，這是因為在此階段，梁體部分增加了線集度為179 kN/m的二期恒載，加上梁體自重，這部分荷載通過吊桿傳至拱肋，由拱肋傳至拱腳及主梁根部。可見，拱腳部位的施工為該橋建造過程中的重要環(huán)節(jié)，在施工過程中應(yīng)全程監(jiān)測拱腳部位的內(nèi)力及應(yīng)力變化，防止拱腳部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，引起構(gòu)件的開裂(表3)。

表3 運營階段各控制截面內(nèi)力及應(yīng)力分布Tab.3 Inner force and stress of governing sections in completion stage

由表3可知，由于活載的作用，運營階段拱腳以及梁體根部的彎矩有較大幅度的增加，反映出活載所占比例較大的特點。

3 吊桿索力的調(diào)整

鋼管混凝土拱橋建造過程中，影響吊桿索力變化的因素，有些能在設(shè)計中盡加考慮，有些則產(chǎn)生在施工過程中，難于詳盡考慮，因而建成后實際索力與設(shè)計預期索力總存在一定的差值。從一般施工工序，吊索安裝并初張拉后，又經(jīng)橋面板安裝，再經(jīng)橋面系工程而完成全橋工程。在實際施工中，由于結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性、索力張拉的誤差，支架模板影響以及計算假定與實際不盡相符等原因，施工中必需安排“索力調(diào)整”這一工序。具體要求是，經(jīng)調(diào)整后索力要等于或接近設(shè)計所預定的索力。

對于超靜定結(jié)構(gòu)中吊桿索力的每一次調(diào)整，都會影響全橋所有構(gòu)件的內(nèi)力分布以及梁體、拱肋的線形，應(yīng)重視的是，每調(diào)一對索時，應(yīng)盡量使其對整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和撓度變化幅度最小，使其在結(jié)構(gòu)安全的范圍內(nèi)變化。這需要精心設(shè)計計算，盡可能的使有初張力的吊桿調(diào)索一次完成，以避免千斤頂?shù)亩啻伟惭b，減少施工中的麻煩(表4)。

表4 各吊桿張拉力終值Tab.4 Final inner force of suspenders

對每根對吊桿施加1 000 kN的初張力后，還須對剩余預應(yīng)力鋼束的張拉以及梁部支架進行拆除，這會引起吊桿內(nèi)力的變化。記梁部支架拆除階段吊桿的索力值為N1，N2，……，N11，與各吊桿設(shè)計要求索力N1，N2，……，N11比較，得出各索所需索力調(diào)整值為 ΔN1，ΔN2，……，ΔN11，記作{ΔN}。對任一吊桿索力的調(diào)整，由于結(jié)構(gòu)變形，都會影響到其它吊桿索力的變化，所以要先計算調(diào)整各索索力時對其余各索索力的影響值。當1#索索力增值為單位力時，對各索的影響值可由一般平面桿系理論計算得到 δ11，δ21，……，δi1，……，δn1。

按照表4所示的張拉順序，可以得到各吊桿索力增加單位力時對其余各索索力影響矩陣。另外，利用結(jié)構(gòu)的對稱性，可以將調(diào)索次數(shù)減至最少。

［δ］中所有主對角線元素 δ11，δ22，……，δii，……，δnn都為 1。

吊桿拉力調(diào)整方案:本橋為對稱結(jié)構(gòu)，各吊桿關(guān)于橋梁中心線(即圖2中6號桿)對稱分布。因此，為了使得吊桿張力調(diào)整更能符合設(shè)計要求，采用對稱張拉(即沿中線各桿同時張拉)。為使計算簡便，僅計算1～6號桿間的索力調(diào)整影響矩陣，以上提到的各吊桿索力增加單位力時對其余各索索力影響值，可通過橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件BSAS在計算機中很快求出，見式(1)。

實際施工過程中，欲調(diào)整各吊桿索力至設(shè)計終值，需對其施加張拉力增值T1，T2，……，T11，記為{T}。可知:

4 結(jié)語

利用有限元軟件，建立了施工全過程有限元分析模型，通過對該橋施工全過程的有限元分析，得出了各施工階段關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力、內(nèi)力及位移;由力法原理得到了該橋吊桿拉力調(diào)整的影響矩陣，對施工中的吊桿拉力調(diào)整給出了優(yōu)化實施方案。

1)計算結(jié)果表明:在拆除拱肋支架的施工階段拱腳截面下緣處的最小主應(yīng)力值較小，為了防止拱腳處出現(xiàn)拉應(yīng)力而引起構(gòu)件開裂，對該截面進行加強并在施工過程中進行應(yīng)力監(jiān)控是必要的;索力的調(diào)整，使得該橋的內(nèi)力分布更趨于合理，拱肋承受壓彎組合作用，拱肋根部有較大的負彎矩，拱頂有較大的正彎矩。

2)在二期恒載上橋階段，梁體跨中最大撓度為5.00 mm，拱頂最大撓度為9.89 mm;運營階段梁體跨中最大撓度為14.49 mm，拱頂最大撓度為19.12 mm，均符合相關(guān)規(guī)范要求。

3)筆者以影響矩陣理論為基礎(chǔ)，將鋼管混凝土拱橋的索力調(diào)整優(yōu)化減至2個階段，極大地減少了施工工序。

［1］ 顧安邦.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，1990.

［2］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

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ZHAO Guang-ming，CHEN Ke-chang.Timing of claims processes of tied arch tune［J］.Central South Highway Engineering，1997，22(1):28-31.

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ZHAO Zhi-qiang.Measurement and analysis for cable tension of steel arch bridge［J］.Journal of Hubei University of Technology，2005，20(3):194-196.

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XIAO Guang-hong，ZHANG Qiu-ling.Stability analysis of concrte-filled steel tube arch bridge in construction stage［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Nature Science，2007，26(5):40-43.

［8］裘新谷，陳階亮，章燃靈.鋼管拱橋吊桿與拱肋節(jié)點的疲勞應(yīng)力分析［J］.市政技術(shù)，2010，4(28):58-60.

QIU Xin-gu，CHEN Jie-liang，ZHANG Ran-ling.Fatigue stress analysis of the node of steeve and arch rib on a steel tube arch bridge［J］.Municipal Technology，2010，4(28):58-60.

Finite Element Simulating and Analysis of Railway through Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge

QIN Hong
(Chongqing Communications Planning Survey and Design Institute，Chongqing 401147，China)

The whole construction process of a concrete filled steel tubular arch bridge was analyzed in detail and then the inner forces of critical stages were attained.The bridge is a structure which is multi-statically indeterminate inside but statically determinate outside，as a result，there will be many times of structure system transformation in the whole construction process;moreover，distribution of inner force and the line type criteria of the structure will be influenced by cable adjustment of every cable.Finally，cable adjustment was optimized using impact matrix method，in this way，distribution of inner force will be more reasonable when built up.

simply-supported steel tube arch bridge;construction stage;finite element;cable tension adjustment

U448

A

1674-0696(2011)03-0377-04

2011-03-18;

2011-04-14

秦 鴻(1971-)，男，重慶人，高級工程師，主要從事路橋工程的勘察設(shè)計與研究。E-mail:qhong2005@sina.com。