拱橋臨時(shí)系桿力優(yōu)化問(wèn)題研究

尹 子 濤

(中鐵九局集團(tuán)有限公司第五工程有限公司，遼寧 大連 116600)

拱橋臨時(shí)系桿力優(yōu)化問(wèn)題研究

尹 子 濤

(中鐵九局集團(tuán)有限公司第五工程有限公司，遼寧 大連 116600)

以某拱橋工程為例，提出了一種臨時(shí)系桿力的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)建立有限元模型，分析了拱肋施工過(guò)程中臨時(shí)系桿力的變化情況，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性，保證了施工的順利進(jìn)行。

拱橋，拱肋，應(yīng)力，有限元模型

1 背景

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，橋梁的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)水漲船高。施工技術(shù)方面，懸臂施工，頂推施工，轉(zhuǎn)體施工等等先進(jìn)施工技術(shù)逐漸成為主導(dǎo)力量，特別是無(wú)支架施工技術(shù)的發(fā)展使用，提高了拱橋在大跨徑橋梁中的建設(shè)比例[1，2]?，F(xiàn)代橋梁的飛速發(fā)展離不開(kāi)橋梁施工方法的發(fā)展和創(chuàng)新，比如水泥的出現(xiàn)推動(dòng)混凝土橋代替了石拱橋。鋼材的出現(xiàn)使大跨徑橋梁得以飛速發(fā)展并減輕了橋梁自重，懸臂施工技術(shù)使跨越道路時(shí)可以不影響橋下正常交通。隨著橋梁施工技術(shù)的發(fā)展，在梁橋、斜拉橋等橋型施工中開(kāi)創(chuàng)的懸臂施工法也可以用于拱橋的施工中，比如頂推法、懸索吊掛法等先進(jìn)的施工方法[3,4]。施工方法對(duì)于拱橋的影響是決定性的，研究創(chuàng)新拱橋施工方法，對(duì)于拱橋的發(fā)展起到不可替代的作用[5]。

本文以某地大橋?yàn)閰⒖迹芯扛蓽洗髽蚺R時(shí)系桿優(yōu)化問(wèn)題。橋梁主干道的設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h，該橋?yàn)橄鲁惺焦皹?，橋梁全長(zhǎng)272 m，橋?qū)?4 m，該橋?yàn)榛旌狭菏浇Y(jié)構(gòu)，主梁橫斷面為鋼筋混凝土箱形截面，兩端實(shí)體式。拱肋為鋼箱梁，在主梁與拱肋連接部位設(shè)置連接段，材料為鋼筋混凝土。橋梁設(shè)置縱坡1.5%，橫坡0.8%，吊桿間距均為7.0 m。

2 有限元模型

由于該橋跨徑大、自重大，根據(jù)受力分析可知拱肋的上緣受壓，而下緣受拉，拉壓共同作用導(dǎo)致拱橋拱肋向下?lián)锨?，故為了保證橋梁施工安全，減小局部應(yīng)力，在吊裝橋拱肋的施工過(guò)程中需要設(shè)置一定數(shù)量的臨時(shí)系桿。這些系桿力的大小會(huì)影響到成橋狀態(tài)拱肋的應(yīng)力，所以施工過(guò)程中臨時(shí)系桿應(yīng)力的大小會(huì)是關(guān)鍵工序之一。本文通過(guò)有限元模型的建立并分析，找到適合本橋的張拉順序及各吊桿的張拉控制應(yīng)力保證施工安全[6]。采用ANSYS軟件進(jìn)行橋梁數(shù)值仿真，該橋的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

3 分析計(jì)算

全橋有限元分析：計(jì)算可知，拱肋內(nèi)部應(yīng)力的大小受臨時(shí)系桿內(nèi)力影響比較明顯。在建模計(jì)算過(guò)程中改變臨時(shí)系桿應(yīng)力的大小，可以得到相應(yīng)情況下拱肋應(yīng)力的極值范圍，當(dāng)臨時(shí)系桿力控制在4 500 kN～13 500 kN之間而中段力在9 500 kN～17 500 kN之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的拱肋應(yīng)力值見(jiàn)表1。

表1 拱肋成橋最大應(yīng)力(系桿力不同)

4 優(yōu)化措施及施工應(yīng)用

由有限元計(jì)算結(jié)果分析可以看出，橋梁臨時(shí)系桿加勁肋與橋梁結(jié)構(gòu)拱肋底板連接處出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中在工程結(jié)構(gòu)中是很危險(xiǎn)的。為了避免較大的應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)破壞，應(yīng)對(duì)拱肋部分加強(qiáng)改進(jìn)，通過(guò)改變不同參數(shù)最終確定拱肋的加強(qiáng)方案。即增加加強(qiáng)隔板1的厚度，厚度分別是15 mm，36 mm和55 mm。模型拱肋的應(yīng)力大小如表2所示。

表2 拱肋應(yīng)力

通過(guò)以上計(jì)算對(duì)比我們可以看出：

1)當(dāng)加強(qiáng)隔板1加大的時(shí)候拱肋各部位的應(yīng)力明顯減??；2)加強(qiáng)隔板1的變大的時(shí)候，拱肋底板應(yīng)力到一定程度后就不再發(fā)生變化；3)縱向加勁肋不因加強(qiáng)隔板1后的發(fā)生改變而改變；4)其自身的應(yīng)力與厚度成反比。

根據(jù)計(jì)算分析可知，該橋梁最終選用的加強(qiáng)方案是：增加加強(qiáng)隔板1，厚度為36 mm。各部位應(yīng)力圖如圖2，圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立有限元模型分析了拱肋施工過(guò)程中臨時(shí)系桿力的變化，結(jié)合拱橋施工控制的原理和方法，得出了能指導(dǎo)施工張拉過(guò)程的最優(yōu)的系桿應(yīng)力大小。從計(jì)算結(jié)構(gòu)可以看出，拱肋應(yīng)力均小于195 MPa，滿足鋼結(jié)構(gòu)允許應(yīng)力，而拱肋內(nèi)側(cè)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。為使臨時(shí)系桿張拉力均勻分散到拱橋拱肋上，必須對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行加固處理。通過(guò)對(duì)優(yōu)化模型的分析從而提出了設(shè)置加強(qiáng)隔板的位置和尺寸的最終解決方案，保證了施工順利安全完成。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 徐小云.鋼管拱橋的設(shè)計(jì)及施工工藝[J].山西建筑，2013，39(21):63-64.

[3] 張 承.特大橋鋼管拱施工技術(shù)[J].山西建筑，2012，38(3):16-18.

[4] 劉振宇.大跨度梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[D].武漢:華中科技大學(xué)，2006.

[5] 王永安,劉世同.斜拉橋索力優(yōu)化理論研究[J].公路，2006(5)：21-23.

[6] 顧安邦,張永水.橋梁施工監(jiān)測(cè)與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

Abstract: Taking some arch bridge as the example, the paper points out the optimal design approach for the temporary tied member force, analyzes the changes in the tied member force according to the establishment of the finite element model, and proves the optimal schemes are reasonable, so as to ensure the smooth operation in the construction.

Key words: arch bridge, arch rib, stress, finite element model

Research of arch bridge temporary bracing force optimization

Yin Zitao

(FifthEngineeringCo.,LtdofChinaRailwayNineBureau,Dalian116600,China)

2016-03-12

尹子濤(1970- )，男，工程師

1009-6825(2016)15-0175-02

U448.22

A