拱梁組合體系橋梁“三角區(qū)”施工過程的仿真分析及優(yōu)化＊

芶 潔

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

1 工程概況

圖1 主橋橋型布置圖

本研究分析對象為一座拱梁組合體系橋梁，跨徑布置為90m＋150m＋90m，如圖1所示。主橋全長330m，橋?qū)?3m，主梁采用C55雙箱單室變截面箱梁。箱梁單“T”共分15段懸臂澆筑，0＃梁段長34m，兩主墩均為半徑為R＝100m的曲線V撐，V撐雙肢下端中心距離為5m，V撐雙肢上端中心距離為23m，V撐為采用實體截面，撐體厚160cm，橫向?qū)?00cm，撐體底部6m長范圍厚度由160cm變?yōu)?40cm，撐頂部2m長范圍厚度由160cm變?yōu)?00cm的加厚過渡。曲線V撐沿曲線設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力?？v向預(yù)應(yīng)力束根據(jù)張拉的時間不同分為長束和短束，短束在V撐澆筑過程中進行張拉，長束在上部0＃塊澆筑完形成“三角區(qū)”后進行張拉。

2 “三角區(qū)”施工方案

“三角區(qū)”包括V型橋墩（如圖2）和0＃號塊（如圖3），其施工方案如下所示：V型橋墩施工采用支架現(xiàn)澆方案，施工中采用分段澆筑方案，每段澆筑長度為4m左右，施工步驟如下：（1）承臺施工時預(yù)埋勁性骨架定位節(jié)點板；（2）安裝第一節(jié)型鋼骨架和第一根臨時拉桿；（3）澆筑臺座混凝土；（4）綁扎普通鋼筋，利用對拉螺栓固定模板位置；（5）澆筑撐體第一節(jié)混凝土4m長；（6）安裝第二節(jié)型鋼骨架和第二根臨時拉桿；（7）綁扎撐體普通鋼筋，利用對拉螺栓固定模板位置；（8）澆筑撐體第二節(jié)混凝土4m長，張拉V撐短索預(yù)應(yīng)力；（9）對于撐體第三、四、五節(jié)段進行施工，重復(fù)步驟（5）～（7）；（10）安裝第六節(jié)型鋼骨架和第六根臨時拉桿；（11）綁扎撐體普通鋼筋；（12）澆筑撐體第六段混凝土；（13）澆筑上部箱梁0＃段，張拉上部箱梁0＃段預(yù)應(yīng)力鋼筋、V撐長索預(yù)應(yīng)力后，再拆除第一至第五根臨時拉桿，第六根拉桿埋在混凝土中不予拆除。

主橋墩頂0＃塊采用與V型墩身固結(jié)連接，0＃塊設(shè)計長度為34m，兩端設(shè)計有長4．23m的橫隔梁，單個0＃塊混凝土方量約1200m3左右。0＃塊混凝土澆筑擬分兩次澆筑，第一次澆筑總高度約3．50m、混凝土數(shù)量約594．00m3，第二次澆筑高度2．80m、混凝土數(shù)量約580．00m3，連續(xù)梁0＃塊采用鋼管支架現(xiàn)澆施工工藝，支架結(jié)構(gòu)設(shè)計與V型墩柱施工支架統(tǒng)一考慮，根據(jù)設(shè)計文件要求，0＃塊支架需在懸澆完成到4＃塊以后方可拆除。

圖2 V型橋墩勁性骨架及臨時拉桿示意圖

圖3 0＃塊支架示意圖

3 “三角區(qū)”施工過程受力分析

對主橋的V型橋墩及主梁0＃塊建立了有限元模型（如圖4），并按照施工過程對V型橋墩進行仿真分析。在V型橋墩施工過程中一個設(shè)置6道臨時拉桿，原施工方案是在0＃塊施工完畢后拆除，通過分析發(fā)現(xiàn)，在V型墩第6節(jié)施工時，如果不拆除臨時拉桿，V墩的最大拉應(yīng)力達到2．6Mpa，由圖5所示，由于最大拉應(yīng)力超過C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值1．83MPa，因此將對施工工程進行優(yōu)化，減小最大拉應(yīng)力。

圖4 0＃塊有限元模型圖

圖5 V墩上緣應(yīng)力圖（不拆除拉桿）

圖6 0＃塊上緣應(yīng)力圖（無臨時預(yù)應(yīng)力）

對主梁0＃塊進行仿真分析后發(fā)現(xiàn)，在澆筑0＃塊第二層混凝土?xí)r，第一層混凝土墩頂處會產(chǎn)生負(fù)彎矩，導(dǎo)致該區(qū)域上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力。

由圖6所示，在0＃塊第二層施工時，0＃塊位于墩頂處負(fù)彎矩區(qū)的上緣最大拉應(yīng)力達到4．6Mpa，超過C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值1．83MPa，因此將對施工工程進行優(yōu)化，減小最大拉應(yīng)力。

4 “三角區(qū)”施工方案優(yōu)化分析

在V型橋墩施工過程中一個設(shè)置6道臨時拉桿，原方案是在0＃塊施工完畢后拆除，通過分析發(fā)現(xiàn)，提前拆除1－4號臨時拉桿可以減小V墩的應(yīng)力，優(yōu)化前后的V墩施工方案見圖7。

由圖8可見，在V型墩第6節(jié)施工時，如果拆除1－4＃臨時拉桿，V墩的最大拉應(yīng)力可以減小到1．8Mpa，相對于原方案中的V墩最大拉應(yīng)力2．6Mpa，將拉應(yīng)力峰值減小了30%，且小于C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值1．83MPa，保證了V墩施工過程的安全性。

圖7 V墩施工方案優(yōu)化示意圖

圖8 V墩上緣應(yīng)力圖（拆除1－4拉桿）

對主梁0＃塊進行仿真分析后發(fā)現(xiàn)，在澆筑0＃塊第二層混凝土?xí)r，第一層混凝土墩上緣拉應(yīng)力過大。根據(jù)計算結(jié)果，建議設(shè)計方在0＃塊第一層加設(shè)臨時預(yù)應(yīng)力束，臨時預(yù)應(yīng)力束布置示意圖見圖9。

圖9 0＃塊臨時預(yù)應(yīng)力示意圖

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，在0＃塊第二層施工時，如果加設(shè)臨時預(yù)應(yīng)力束，0＃塊墩頂處負(fù)彎矩區(qū)的上緣最大拉應(yīng)力可以減小到0．6Mpa，相對于原方案中的V墩最大拉應(yīng)力4．6Mpa，將拉應(yīng)力峰值減小了86%，且小于C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值1．83MPa，保證了0＃塊施工過程的安全性。

圖10 0＃塊上緣應(yīng)力圖（有臨時預(yù)應(yīng)力）

5 結(jié)語

通過對本橋“三角區(qū)”位的施工過程的仿真分析，找出了施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值超限區(qū)域，并提出了相應(yīng)的措施來減小這些部位施工過程中的應(yīng)力峰值，通過這些措施對初擬的施工方案進一步優(yōu)化，改善了“三角區(qū)”的受力性能，提高了結(jié)構(gòu)整體的安全和使用性能，對同類橋梁的施工具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］孫樹明．淺談連續(xù)拱梁組合體系橋梁施工工藝［J］．建筑知識，2012，（5）：250－251．

［2］陳朝慰．拱梁組合體系橋梁施工過程受力分析［J］．福建交通科技，2011，（4）：46－49．