某葵花拱橋落架過程分析研究

李道業(yè) 王衛(wèi)鋒 胡民逸

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

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某葵花拱橋落架過程分析研究

李道業(yè) 王衛(wèi)鋒 胡民逸

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

對某葵花型連拱拱橋進(jìn)行了全橋桿系結(jié)構(gòu)模擬仿真分析，通過對比不同的支架拆除方案，并基于支架受力合理、主拱內(nèi)力平緩釋放、施工工期盡量短等原則，優(yōu)選出了落架施工方案，指出該方案不僅確保了橋梁施工的安全性，而且降低了施工難度，提升了施工效率。

葵花型連拱，仿真分析，滿堂支架，拱座

0 引言

拱橋是我國公路上施工廣泛且歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式。它外形宏偉壯觀，并且經(jīng)久耐用。拱橋與梁橋不僅外形上不同，而且在受力性能上也有著本質(zhì)的區(qū)別。

葵花型連拱拱橋是一種新穎的橋梁結(jié)構(gòu)形式，線型優(yōu)美，能夠滿足相關(guān)河道的通航要求與現(xiàn)代城市建設(shè)的要求，但是其矢跨比增大，增加了施工難度。特別是在支架卸落脫架的過程當(dāng)中，支架拆除的先后順序?qū)τ诠敖Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力釋放過程具有決定性的影響。同時考慮到葵花型拱的邊拱和中間拱的不對稱性，勢必加劇邊墩在兩側(cè)不同推力下的偏移。因此，好的支架卸落方案會為結(jié)構(gòu)內(nèi)力的均勻釋放以及成橋階段結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營帶來改進(jìn)。

1 工程概況

主橋由兩側(cè)的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成，全長312 m，單幅橋?qū)?9.85 m，具體橋型布置圖參見圖1。

1.1 主拱及邊拱

主拱拱軸線采用四次拋物線，為單箱雙室變截面箱形拱，矢跨比為1/7。與腹拱交接處橫梁沿主拱拱軸線徑向設(shè)置。

1.2 腹拱

腹拱拱軸線采用橢圓線，腹拱為單箱雙室變截面箱形拱，拱腳處截面高1.1 m，拱頂處截面高0.8 m。厚度均為0.4 m，作豎向布置。

腹拱在拱腳處設(shè)鉸(不完全鉸)，第二跨由于河道航行的要求，采用貝雷梁作支撐，形成臨時通航孔待施工完橋面系以后，拆除腹拱支架，進(jìn)行腹拱封鉸，形成無鉸拱。

1.3 上部連續(xù)箱梁

縱梁半幅全寬19.85 m，為單箱雙室等截面箱梁。縱梁梁高1.3 m，箱底寬10.85 m，兩側(cè)懸臂翼緣板寬4.5 m，懸臂根部高度0.6 m；箱梁中腹板厚度采用40 cm～55 cm，邊腹板厚度采用45 cm～60 cm；箱梁頂板厚26 cm，底板厚25 cm。

考慮到拱腳處的不平衡水平推力，體外預(yù)應(yīng)力系桿位于連續(xù)縱梁及岸跨縱梁箱內(nèi)，單幅橋設(shè)置8束，全橋共設(shè)置16束。

2 仿真模擬的建立與分析

2.1 桿系模型的建立

全橋結(jié)構(gòu)仿真模型如圖2所示。模型采用通用有限元模擬軟件midas civil進(jìn)行模擬。該模型是由主腹拱圈、邊拱拱圈、體外系桿、拱上縱梁結(jié)構(gòu)以及臨時支架等幾部分組成。主腹拱圈以及邊拱拱圈和縱梁還有支架均采用梁單元進(jìn)行模擬，體外系桿則是采用索單元進(jìn)行模擬。

2.2 約束條件

在充分了解地質(zhì)巖層的基礎(chǔ)上，通過對土層結(jié)構(gòu)的分層，采用“m”法對所有鉆孔灌注樁位置處的橋墩用“土彈簧”進(jìn)行模擬，計算橋墩的等效出口剛度，對河道中的橋墩采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬。由于鳳凰二橋是無鉸拱橋，拱腳處采用與墩固結(jié)的方式處理。

3 施工卸架過程仿真分析

對于存在支架施工的拱橋，在支架卸落完成以后，整個拱橋才算是真正意義上的成拱。有效的支架卸落方案是結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的保證。

3.1 方案一(支架拆除)

為了方便仿真分析和施工，預(yù)先將橋梁中間四孔中的三孔(不包括第二孔通航孔)拱頂部分27 m范圍內(nèi)的支架對稱分為12塊(見圖3)，而通航孔作為一個整體卸落；對于岸跨支架和中拱拱腳支架部分，考慮到拆除支架前后對結(jié)構(gòu)的受力影響較小(中孔拱頂支架卸落的1/4～1/5左右)，故在分析過程中做簡單處理。

方案一中將整個施工步驟分為兩個施工階段。第一階段按照1，2，3，4，5，6，7的順序?qū)ΨQ拆除主拱拱頂部分支架；第二階段則是按照8，9，10，11，12的順序拆除剩余部分支架。

在模擬分析的過程當(dāng)中，我們可以得到：第一階段的拆除主拱拱頂部分支架對于主拱拱頂位移的釋放、拱座推力的傳遞、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分配所起到的作用較小，整個拱頂重量仍然主要作用在剩余的支架上。同時，可以看出：在第二階段落架時，當(dāng)進(jìn)行到只剩下第9，10，11，12部分支架時，9，10，11支架在拆除本部分支架前一工況時均出現(xiàn)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，進(jìn)而出現(xiàn)失穩(wěn)的情況(見圖4)。因此，對于此支架拆除方案暫不可行，需要修正改進(jìn)。

3.2 方案二(循環(huán)落架方案)

通過卸落拱頂前后的拱頂位移的釋放，我們可以通過旋轉(zhuǎn)腳手架頂托來逐步均勻、緩慢的釋放拱頂?shù)呢Q向位移。

具體主拱拱頂支架卸落步驟如下：

第一次循環(huán)卸架：1，3，4，每個孔(除去通航孔)從拱頂往兩側(cè)拱腳(即順序從1到12逐個卸落支架頂托)同步、對稱落架。

第二次循環(huán)卸架：1，3，4，每個孔(除去通航孔)從拱頂往兩側(cè)拱腳(即順序從1到12逐個卸落支架頂托)同步、對稱落架。

第三次則是重復(fù)以上卸落順序，直到拱頂與支架完全脫離，具體各輪卸落量參照表1。通過模型計算可知，最終支架的卸落量應(yīng)大于17 mm，以保證主拱與支架完全脫離，拱頂成拱，完成內(nèi)力的重新分配。

表1 方案二各輪卸落量 mm

3.3 循環(huán)卸落與支架拆除的優(yōu)化結(jié)合

對比分析方案一和方案二中的有利因素與不利因素，結(jié)合兩個方案的優(yōu)點(diǎn)，即：利用方案一施工速度的優(yōu)勢，再利用方案二均勻緩慢受力優(yōu)勢。于是我們可以得到優(yōu)化改進(jìn)后的方案三：在先拆除部分支架的前提下再進(jìn)行循環(huán)卸落工作。

在方案一中，我們先盡量利用支架自身的承載能力，在計算模型中，當(dāng)拆除完第七組支架時，剩余部分支架仍然承受全部主拱拱頂?shù)闹亓?，同時支架承載力在許可范圍之內(nèi)。此后，我們再通過循環(huán)卸落的方式，最終實(shí)現(xiàn)剩余主拱拱頂支架與主拱的分離。

方案三具體卸落分為兩個階段，第一階段和方案一相同；第二階段采用循環(huán)落架的方式，從第8部分往第12部分的順序逐次卸落拆架。具體卸落如表2所示。

4 結(jié)果分析

通過計算三種支架拆除方案，在綜合考慮支架受力、主拱內(nèi)力傳遞效果、施工工期進(jìn)度影響的原則下，對三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合評估，從而權(quán)衡出最佳的施工指導(dǎo)方案。

分析全過程中危險性較大的岸跨拱座得到圖5～圖7(其中縱坐標(biāo)代表相應(yīng)內(nèi)力大小，橫坐標(biāo)代表工況步驟)。

表2 方案三各輪卸落量 mm

1)對于拱座水平推力變化情況(見圖5)，可以看出方案一中的推力隨著工況的變化幅度很大，方案二與方案三則全過程變化平緩。

2)在拱座的軸向力變化圖中(見圖6)，我們可以看到，對于方案一，拱座軸力的釋放主要集中在最后幾個階段，方案一中前面幾個階段對于拱座的軸力傳導(dǎo)幾乎不起作用。而方案二與方案三中，整個拱頂部分的重量釋放過程是相對平緩而穩(wěn)定的，對于支架的穩(wěn)定安全是有利的。

3)對于拱座部分的彎矩，從圖7也可以看出，方案二與方案三在過程當(dāng)中不會產(chǎn)生絕對值特別大的彎矩，兩者在過程當(dāng)中趨勢大致相同，并且最大值相差不多。對于方案一，則會出現(xiàn)峰值差不多是方案三2倍的彎矩，較大的彎矩在軸力不是特別大，無法抵消對應(yīng)的彎矩效應(yīng)時，有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4)對比方案二與方案三，考慮到工期、操作性，方案三在操作上更加可行，工期上更加快捷。其中方案二需要71個相對工時，而方案三則只需要大約42.5個相對工時。方案三相對方案二節(jié)約了大約40%的工作時間。故綜合而言，方案三是較為優(yōu)質(zhì)的卸落方案。

5 結(jié)語

本文首先通過對兩種不同卸落方案的模擬分析，對比出兩者卸落方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)，同時在基于支架應(yīng)力大小與穩(wěn)定、拱圈內(nèi)力傳遞效果、施工工期長短等考慮因素的前提下，結(jié)合兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，優(yōu)化得出第三種卸落方案，既保證了結(jié)構(gòu)在卸落過程當(dāng)中受力的合理與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，也兼顧了施工的方便性與工期的合理配置，在施工過程中能夠有效地提升施工的效率與合理的控制施工的風(fēng)險。

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[3] 王永安,劉世同,譚紅梅,等.斜拉橋索力優(yōu)化理論研究[J].公路,2006(5):31-34.

[4] 畢繼紅,王 劍.葵型拱橋落架過程仿真分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版),2008(3):20-23.

On dismantling process analysis of some sunflower-typed arch bridge

Li Daoye Wang Weifeng Hu Minyi

(CollegeofCivilEngineeringandCommunications,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

The paper undertakes the simulation analysis of the whole bridge skeletal structure of some sunflower-typed arch bridges, selects the dismantling scheme based on the principles including the reasonable support stress, the gentle release of the main arch’s inner force, and short construction period by comparing various support dismantling scheme, and points out the scheme can ensure the construction safety, lower construction difficulties and promote the construction efficiency.

sunflower-typed arch, simulation analysis, full framing, arch support

1009-6825(2016)26-0160-03

2016-07-06

李道業(yè)(1992- )，男，在讀碩士

U448.22

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