蒲山大橋施工階段穩(wěn)定性分析

王新建，吳紅升

(1.商丘師范學(xué)院 建筑與土木工程系，河南商丘476000;2.太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，太原030002)

1 工程概況與施工過程劃分

河南嶺南高速公路蒲山大橋位于洛陽(yáng)至南陽(yáng)高速公路聯(lián)絡(luò)線與南水北調(diào)工程、焦支鐵路交叉處，是太原至澳門國(guó)家重點(diǎn)公路的重要組成部分。主橋采用桁架式鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，由3片拱肋組成下承式鋼管混凝土系桿拱橋，全橋長(zhǎng)225m，計(jì)算跨徑219m，全橋?qū)?8.8m，雙向6車道。拱肋軸線為二次拋物線，矢高43.92m，矢跨比1/5，邊拱肋由4根鋼管組成，中拱肋由6根鋼管組成，每片拱肋的鋼管之間用厚2cm的鋼板和Φ450x10mm的鋼管連接，邊拱肋和中拱肋通過風(fēng)撐組成整體結(jié)構(gòu)，橋面系由3片箱型系桿梁、2片箱型端橫梁以及25片T型中橫梁組成，拱橋吊桿為每排4根(中間拱肋2根，邊拱肋各1根)，每邊25根，共計(jì)100根吊桿;拱肋、風(fēng)撐、吊桿、橋面系組成了拱橋的整體空間結(jié)構(gòu)。主橋橋墩承臺(tái)、橋面板采用C30混凝土，預(yù)制系桿、橫梁、橫梁現(xiàn)澆濕接頭、拱肋鋼管內(nèi)填充混凝土采用C55混凝土，主橋橋墩、橋面鋪裝采用C40混凝土。該種橋型受力復(fù)雜，空間效應(yīng)明顯，施工程序多，為了確保蒲山大橋在各施工階段的安全性，需要對(duì)其進(jìn)行施工階段的空間穩(wěn)定性分析。主要施工階段的劃分見表1。

2 建模與計(jì)算

為了分析蒲山大橋各施工階段的穩(wěn)定性，采用有限元軟件Midas/civil分別對(duì)各施工階段建模，在橋梁有限元建模中，結(jié)合類似橋梁的建模經(jīng)驗(yàn)，系桿梁、橫梁、拱肋和橫撐等構(gòu)件均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;吊桿采用只承受拉力的空間桁架單元模擬;橋面板用板殼單元模擬;支架采用只受壓?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，按照剛度等效的原則建立支架;橋梁空間有限元計(jì)算模型如圖1、2所示。

表1 蒲山大橋主要施工階段劃分

表2 蒲山大橋各主要施工階段穩(wěn)定安全系數(shù)

圖1 有支架有限元模型圖

圖2 無(wú)支架有限元模型圖

根據(jù)有限元計(jì)算模型，采用大型有限元軟件Midas/civil分別對(duì)每個(gè)施工階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見表2和圖3，限于篇幅，本文僅給出施工階段8和施工階段13的失穩(wěn)模態(tài)圖如圖4、5所示。

圖3 蒲山大橋施工階段穩(wěn)定安全系數(shù)

圖4 蒲山大橋施工階段8失穩(wěn)模態(tài)

圖5 蒲山大橋施工階段13失穩(wěn)模態(tài)

分析計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)由于橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有拱橋施工期間的穩(wěn)定安全系數(shù)的明確規(guī)定，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，橋梁穩(wěn)定安全系數(shù)的取值不宜小于4，從穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，在蒲山大橋各個(gè)施工階段，與橋梁第1階失穩(wěn)模態(tài)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求，橋梁施工穩(wěn)定性處于安全狀態(tài)。

(2)由圖3可以看出，蒲山大橋第一施工階段的穩(wěn)定安全系數(shù)比其它施工階段均大，達(dá)到35.65，這是因?yàn)樵谑┕るA段1中系梁、橫梁以及鋼管拱肋均設(shè)有支撐，橋梁穩(wěn)定性較好，隨著拱肋澆注混凝土、張拉吊桿、安裝橋面板以及橋面鋪裝的施工，增加了施工階段的荷載，穩(wěn)定安全系數(shù)隨之下降，特別是拆除支撐后，橋梁穩(wěn)定安全系數(shù)最低下降到13.05，但也滿足穩(wěn)定安全要求。

(3)在蒲山大橋第6施工階段的穩(wěn)定安全系數(shù)有所提高，這主要是因?yàn)樵诖耸┕るA段，張拉了系桿梁中的預(yù)應(yīng)力鋼束，其中的部分預(yù)應(yīng)力抵消了因拱腳處所產(chǎn)生的水平推力，同時(shí)，由于拱肋鋼管灌注了混凝土，與拱肋鋼管一起形成空間整體，參與結(jié)構(gòu)的受力，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度有所提高，穩(wěn)定系數(shù)也相應(yīng)增大。

(4)蒲山大橋各個(gè)施工階段的第1階失穩(wěn)模態(tài)均為拱肋側(cè)傾面外屈曲，這與文獻(xiàn)中所述的實(shí)際鋼管混凝土拱橋第1階失穩(wěn)模態(tài)一般為面外屈曲結(jié)論相符合，在該類拱橋的施工中，為了增加施工階段的安全，應(yīng)加強(qiáng)拱肋的橫向穩(wěn)定性，同時(shí)也說明在拱橋設(shè)計(jì)中提高拱肋面外剛度是提高其穩(wěn)定性的最有效的措施之一。

3 成橋后穩(wěn)定性分析

根據(jù)蒲山大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮最大荷載工況:恒載+車道荷載(全橋)進(jìn)行橋梁在成橋狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性分析，利用建立的蒲山大橋空間有限元計(jì)算模型，采用大型有限元程序Midas/Civil計(jì)算蒲山大橋的穩(wěn)定性，蒲山大橋前4階穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，前2階失穩(wěn)模態(tài)圖如圖6、7所示。

表3 蒲山大橋成橋穩(wěn)定安全系數(shù)

圖6 第1階失穩(wěn)模態(tài)圖

圖7 第2階失穩(wěn)模態(tài)圖

分析蒲山大橋在成橋狀態(tài)下的前4階穩(wěn)定安全系數(shù)和屈曲模態(tài)圖可以得出以下結(jié)論:

(1)該橋成橋狀態(tài)第1階穩(wěn)定安全系數(shù)為12.37，滿足一般拱橋穩(wěn)定系數(shù)大于4～5的要求，說明拱肋之間的橫撐把各根拱肋相互連接成整體，使拱肋具有較大的橫向剛度。

(2)從第1階失穩(wěn)模態(tài)圖可以看出，第1階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋面外側(cè)傾屈曲失穩(wěn)，橋面有稍微的扭轉(zhuǎn)，形狀似半個(gè)正弦波;拱腳處由于端橫梁的約束以及拱腳自身具有較大的剛度，拱腳在面內(nèi)面外的穩(wěn)定性均有很大的提高。

(3)該拱橋的側(cè)向剛度小于豎向剛度，橋梁失穩(wěn)主要以拱肋橫向屈曲為主，在橋梁前4階失穩(wěn)模態(tài)中均以拱肋面外側(cè)傾屈曲為主，沒有出現(xiàn)豎向屈曲的失穩(wěn)模態(tài)，與一般拱橋穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)論相符。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著橋梁施工的進(jìn)行，施工荷載不斷增加，橋梁穩(wěn)定安全系數(shù)隨著下降，特別是拆除支撐后，穩(wěn)定安全系數(shù)下降更多，最低達(dá)到13.05，但都在其許可范圍之內(nèi)，能滿足施工期間的安全穩(wěn)定要求。成橋階段的空間穩(wěn)定性較好，蒲山大橋拱肋之間的橫撐以及橋面系空間結(jié)構(gòu)增加了該橋的橫向剛度，提高了穩(wěn)定性，在最大荷載工況下1階模態(tài)的最小穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到12.37，滿足要求。所以，蒲山大橋各個(gè)施工階段的第1階失穩(wěn)模態(tài)均為拱肋側(cè)傾面外屈曲，與其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求。本文計(jì)算結(jié)果可為同類橋梁穩(wěn)定性分析提供參考。

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