大跨度中承式提籃拱橋梁體吊裝方案比選研究

李檳岍

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530011)

0 引言

由于大跨度中承式提籃拱橋施工周期較長(zhǎng)，施工難度較大，并且在施工過程中存在多次體系轉(zhuǎn)換，受力體系復(fù)雜多變，為了保證施工進(jìn)度和效率，減少高空作業(yè)，因此對(duì)橋梁施工過程吊裝方案進(jìn)行比選和受力分析具有重要意義。本文對(duì)項(xiàng)目橋梁建立全橋空間有限元模型，分析該橋梁體在兩種不同施工吊裝方案的變形和受力狀態(tài)，選擇最優(yōu)方案，為施工單位提供一定的參考。

1 工程概況

該大跨度中承式提籃拱橋，跨徑布置為(40+160+40)m，工程按城市支路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用雙向兩車道，兩側(cè)設(shè)人行道。通航標(biāo)準(zhǔn)按內(nèi)河Ⅵ(2)級(jí)航道設(shè)計(jì)，最高通航水位為36 m，雙向通航凈寬35 m、凈高5.5 m、側(cè)高4 m。橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)抗震基本烈度為6°。該大跨度中承式提籃拱橋立面圖見圖1。

圖1 大跨度中承式提籃拱橋立面圖

2 有限元模型的建立

大跨度中承式提籃拱橋的主梁采用預(yù)制塊吊裝的施工方式，主梁預(yù)制塊編號(hào)如圖2所示。該橋的數(shù)值分析計(jì)算采用的是有限元軟件MIDAS/Civil 2015，建立該橋的空間有限元模型，模擬橋梁的施工過程，計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。通過對(duì)設(shè)計(jì)圖紙和施工方法進(jìn)行仔細(xì)的分析研究，將主梁采用空間梁格法進(jìn)行模擬，縱向劃分為980個(gè)單元，橫向劃分為1 200個(gè)單元；拱肋及立柱均采用空間梁?jiǎn)卧M，共計(jì)1 650個(gè)單元；吊桿采用桁架單元模擬，共計(jì)23個(gè)單元。全橋有限元模型如圖3所示。

圖2 主梁預(yù)制塊編號(hào)示意圖

圖3 全橋空間有限元模型圖

3 兩種吊裝方案的確定

該橋采用先拱后梁的施工方法。拱肋在空中懸拼合攏后，再逐塊吊裝梁體預(yù)制塊，預(yù)制塊的吊裝和定位都屬于高空作業(yè)。為了提高施工進(jìn)度和效率，減少高空作業(yè)量，預(yù)計(jì)每一塊預(yù)制塊吊裝時(shí)能做到一次定位，待完成全部預(yù)制塊的吊裝、濕接縫的澆筑、橋面鋪裝后，梁體和拱肋正好達(dá)到設(shè)計(jì)線形，完工后不用再?gòu)埨鯒U。預(yù)制塊的吊裝過程是對(duì)拱肋逐步加載的過程，每一塊后吊裝的預(yù)制塊都會(huì)使先吊裝的預(yù)制塊的高程發(fā)生改變，所以需要對(duì)預(yù)制塊的吊裝全過程進(jìn)行模擬，以確定每一塊預(yù)制塊吊裝時(shí)的高程，而每一塊預(yù)制塊吊裝時(shí)的高程是與吊裝順序有關(guān)的。

3.1 方案1：由中至邊對(duì)稱逐塊吊裝

對(duì)稱吊裝預(yù)制塊到定位高程，相鄰節(jié)段間可焊接少量鋼筋臨時(shí)定位，預(yù)制塊(編號(hào)見圖2)吊裝順序如下：1#→2#→3#→4#→5#→6#→7#→8#→9#→10#→11#→12#，按照以上的吊裝順序，每次對(duì)稱吊裝兩片主梁預(yù)制塊。

3.2 方案2：間隔對(duì)稱吊裝

對(duì)稱吊裝預(yù)制塊到定位高程，相鄰節(jié)段間可焊接少量鋼筋臨時(shí)定位，預(yù)制塊(編號(hào)見圖2)吊裝順序如下：11#→12#→7#→8#→9#→3#→4#→5#→1#→2#→6#→10#，按照以上的吊裝順序，每次對(duì)稱吊裝兩片主梁預(yù)制塊。

4 兩種吊裝方案計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 由邊至中對(duì)稱逐塊吊裝方案計(jì)算結(jié)果及分析

吊裝過程中主拱肋吊點(diǎn)處的累計(jì)位移和最大應(yīng)力隨施工過程的演變分別如表1、表2所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出：在預(yù)制塊吊裝過程中，主拱肋的最大位移發(fā)生在吊裝完預(yù)制塊12#時(shí)，最大位移為-90.9 mm；主拱肋吊點(diǎn)截面的應(yīng)力都是受壓的，最大壓應(yīng)力發(fā)生在吊裝完預(yù)制塊9#時(shí)，最大壓應(yīng)力為-69.3 MPa。

表1 主拱肋吊點(diǎn)處累計(jì)位移表(mm)

注：左半橋吊桿編號(hào)順序自左向右依次為D1～DS12

表2 主拱肋吊點(diǎn)處累計(jì)最大角點(diǎn)應(yīng)力表(MPa)

注：左半橋吊桿編號(hào)順序自左向右依次為D1～D12

4.2 間隔對(duì)稱吊裝方案計(jì)算結(jié)果及分析

吊裝過程中主拱肋吊點(diǎn)處的累計(jì)位移和最大應(yīng)力隨施工過程的演變分別如表3、表4所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出：在預(yù)制塊吊裝過程中，主拱肋的最大位移發(fā)生在吊裝完預(yù)制塊9#時(shí)，最大位移為-127.3 mm；主拱肋吊點(diǎn)截面的應(yīng)力都是受壓的，最大壓應(yīng)力發(fā)生在吊裝完預(yù)制塊9#時(shí)，最大壓應(yīng)力為-81.6 MPa。

表3 主拱肋吊點(diǎn)處累計(jì)位移表(mm)

注：左半橋吊桿編號(hào)順序自左向右依次為D1～D12

表4 主拱肋吊點(diǎn)處累計(jì)最大角點(diǎn)應(yīng)力表(MPa)

注：左半橋吊桿編號(hào)順序自左向右依次為D1～D12

4.3 兩種吊裝方案的變形和受力狀態(tài)的比較

在預(yù)制塊吊裝過程中，兩種吊裝方案主拱肋吊桿處的最大位移和應(yīng)力如表5所示。

表5 兩種吊裝方案吊裝過程中主拱肋吊點(diǎn)處的最大位移和應(yīng)力比較表

由表5可知，對(duì)于兩種不同的吊裝方案，在主梁預(yù)制塊吊裝過程中主拱肋吊點(diǎn)處的最大應(yīng)力都在安全范圍之內(nèi)。單獨(dú)從這個(gè)角度考慮，這兩種吊裝方案都是可行的。

在預(yù)制塊吊裝過程中，兩種吊裝方案主拱肋吊點(diǎn)處的位移隨施工過程的變化分別如圖4、圖5所示。

圖4 方案1主拱肋吊點(diǎn)處位移演變圖

圖5 方案2主拱肋吊點(diǎn)處位移演變圖

由圖4、圖5對(duì)比可知，通過對(duì)方案1和方案2相比較，方案2主拱肋的撓度變化曲線更加平緩。將表2和4對(duì)比可知，與方案1相比較，方案2主拱肋的受力更加均勻。因此從變形和受力的角度考慮，方案2優(yōu)于方案1。

5 結(jié)語

本文采用有限單元法對(duì)主梁預(yù)制塊兩種不同的吊裝方案進(jìn)行了模擬對(duì)比分析，選出并推薦了一種較優(yōu)的方案。通過有限元分析，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)兩種不同的主梁預(yù)制塊吊裝方案進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，給出了兩種不同吊裝方案主拱吊點(diǎn)累計(jì)位移和應(yīng)力。兩種吊裝方案均能實(shí)現(xiàn)主拱預(yù)制塊的一次定位，主拱肋的應(yīng)力都沒有超限。

(2)從拱肋受力和變形角度看，方案2拱肋的受力更加勻稱、變形更加平緩，優(yōu)于方案1。

(3)主拱預(yù)制塊吊裝實(shí)現(xiàn)一次定位時(shí)，方案2相鄰預(yù)制塊之間的高差比方案1小，易于臨時(shí)鎖定澆筑濕接縫，因此方案2優(yōu)于方案1。

綜上所述，推薦方案2應(yīng)用于施工。該方案的預(yù)制塊吊裝順序?yàn)椋?1#→12#→7#→8#→9#→3#→4#→5#→1#→2#→6#→10#。