連續(xù)梁拱組合橋拱肋結(jié)構(gòu)頂推力學(xué)性能分析

王澤能　成魁

摘要：大跨度梁拱組合橋拱肋結(jié)構(gòu)在頂推施工過程中的受力情況復(fù)雜，橫向抗傾覆穩(wěn)定性較差。為確保拱肋結(jié)構(gòu)頂推過程的安全和穩(wěn)定，文章以某大跨度梁拱組合體系橋拱肋頂推施工為例，采用有限元計算方法對頂推施工過程中的拱肋進(jìn)行研究，提出在拱腳處進(jìn)行臨時配重來提高頂推施工過程中拱肋的抗傾覆性能，并通過對比三組臨時配重作用下的拱肋受力狀態(tài)以及抗傾覆性能，研究臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及橫向抗傾覆能力的影響。分析結(jié)果表明：對拱腳進(jìn)行臨時配重后拱肋抗傾覆穩(wěn)定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，同時拱腳臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力及屈曲穩(wěn)定性相對影響較小，該措施的提出也可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：拱肋;抗傾覆穩(wěn)定性;頂推;梁拱體系;有限元模擬

中國分類號：U448.21+6文章標(biāo)識碼：A180684

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)拱橋作為強(qiáng)梁弱拱體系，通常先施工混凝土連續(xù)梁，其次架設(shè)拱結(jié)構(gòu)?；炷吝B續(xù)梁橋施工大多為掛籃懸臂澆筑，拱肋則可采用支架原位拼裝、原位支架臥拼并豎轉(zhuǎn)合龍和異位拼裝并縱向頂推滑移施工方法。近年來，由于異位拼裝并縱向頂推滑移施工方法有利于控制成拱線形，能夠極大提高施工效率，縮短施工工期，該施工方法得到廣泛的應(yīng)用[1]。目前，現(xiàn)有研究主要針對如何根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)制定合理可行的臨時支撐措施[2]和滑移構(gòu)造設(shè)施[3]，以及如何采取可行有效的監(jiān)控方案等方面，缺少頂推施工過程中拱肋結(jié)構(gòu)受力性能的探討，此外，由于拱肋重心較高，頂推過程中橫向風(fēng)荷載對拱肋結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性影響很大[4]。

本文以某大跨度梁拱組合體系橋拱肋頂推施工為背景，運(yùn)用有限元軟件對拱肋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行研究，分析頂推施工中拱肋橫向抗傾覆穩(wěn)定性能[5]。

1 工程概況

背景橋梁為三孔（72+128+72）m直吊桿體系連續(xù)梁拱橋，拱肋垂直布置，支座中心至梁端0.85 m。系梁橫截面采用單箱雙室變高截面，邊支點(diǎn)斷面高4.0 m，中支點(diǎn)斷面高7.5 m，采用C55混凝土，拱肋為啞鈴型截面，內(nèi)部澆筑C55混凝土，橋型布置如圖1所示。拱肋采用頂推法施工，通過推運(yùn)車將拱肋頂推到指定位置，具體如圖2所示。

2 梁拱組合橋施工

2.1 施工方案

本橋采用先澆筑主梁后架設(shè)拱肋的施工方法，主橋采用懸澆施工，拱肋采用頂推法施工，通過推運(yùn)車將拱肋頂推到指定位置。

（1）拱肋拼裝支架

臨時支架立柱鋼管采用[WTBX]426 mm×8 mm鋼管，鋼管立柱之間用C16a槽鋼連接;墩頂采用I32a工字鋼作分配梁;分配梁頂焊接500 mm×1 000 mm×14 mm鋼板作為支撐平臺。墩柱之間采用[WTBX]273 mm×8 mm鋼管連接牢固，以保證整個支撐體系穩(wěn)定。立柱可在拼裝場地拼裝后整體吊裝。吊裝拱肋節(jié)段時，涉及的支架間橫向連接在拆除、吊裝完成后重新安裝固定。

（2）拱肋頂推系統(tǒng)

拱腳處設(shè)置水平拉索，平衡拱腳處產(chǎn)生的水平推力。利用拱腳位置縱向頂推體系進(jìn)行整體頂推。頂推體系由連接抱箍、楔形鋼箱梁、貝雷片橫梁、桁架小車、臨時拱座等組成，輪箱底部設(shè)置鋼軌和軌道基礎(chǔ)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

拱肋結(jié)構(gòu)在頂推過程中會在外部荷載的沖擊作用下產(chǎn)生屈曲變形，從而降低拱肋結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，目前主要通過以下幾種措施解決上述問題。

（1）拱肋頂推時通過在拱腳處配備水平拉索來平衡拱腳的水平推力，這樣可最大程度上減小拱肋的撐開變形，因頂推過程中只有拱腳水平推力且僅由恒載作用產(chǎn)生，因此可根據(jù)裸拱恒載作用下水平推力[JP+2]作為臨時水平拉索初張力，水平拉索承受的拉力為1 690.4 kN。

（2）在頂推過程中，由于拱肋重心偏高，因此需針對拱肋體系的穩(wěn)定安全性進(jìn)行驗(yàn)算，以保障拱肋結(jié)構(gòu)頂推過程中的安全。

（3）在頂推過程中，采取臨時配重措施來確保拱肋結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，在四臺推運(yùn)車上均布置配重水箱，配重示意如圖3所示。本文通過在拱肋拱腳位置進(jìn)行不同的荷載配重，結(jié)合有限元對其受力性能和抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析。

3 拱肋結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

3.1 有限元模型

采用有限元軟件建立拱肋在橫向風(fēng)荷載作用下的空間模型，拱肋間的縱橫向連接平聯(lián)使用Midas Civil的空間梁單元模擬。拱肋之間的水平拉索采用桁架單元模擬，水平拉索的初始拉力根據(jù)恒載作用下支座承受的水平力取值，拱肋的空間有限元模型如圖4所示。

3.2 荷載及荷載組合

3.2.1 荷載計算

拱肋結(jié)構(gòu)在頂推過程中主要承受拱肋結(jié)構(gòu)自身重量和作用在拱肋上的風(fēng)荷載，恒載主要包括拱肋自重、橫撐及斜撐自重;橫向風(fēng)荷載主要根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》規(guī)定計算，具體公式如下：

3.2.2 荷載效應(yīng)組合

荷載效應(yīng)組合根據(jù)《公路與鐵路兩用橋梁通用技術(shù)要求》第5.1.3條可知：

（1）風(fēng)荷載作用下抗傾覆穩(wěn)定性最不利效益組合：1.0×拱肋自重+1.1×橫向風(fēng)荷載+1.1×縱向風(fēng)荷載;

（2）作用基本組合：1.2×拱肋自重+1.1×橫向風(fēng)荷載+1.1×縱向風(fēng)荷載;

（3）正常使用狀態(tài)組合：1.0×拱肋自重+0.75×橫向風(fēng)荷載+0.75×縱向風(fēng)荷載。

4 拱肋力學(xué)性能分析

4.1 拱肋內(nèi)力分析

4.1.1 拱肋應(yīng)力分析驗(yàn)算

根據(jù)拱肋頂推實(shí)際過程中的受力情況，通過將上述荷載施加到有限元模型中，分別在拱腳位置處布置幾組不同配重，對比分析不同臨時配重前后拱肋應(yīng)力變化情況，其變化情況如表2所示。

由表3可得，拱肋在頂推時，對拱腳進(jìn)行臨時配重后拱肋結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化幅度很小，且應(yīng)力都小于規(guī)范允許限值，因此可知拱腳臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大。

4.1.2 臨時拱座支反力計算

根據(jù)有限元模型分析頂推靜止?fàn)顟B(tài)的拱肋在風(fēng)荷載作用下的受力，得到臨時拱座支反力，各支反力計算結(jié)果如表3所示。

4.2 拱肋橫向風(fēng)荷載作用下抗傾覆計算

4.2.1 計算方法

通過有限元軟件對拱肋頂推施工做靜力分析，按最不利荷載布置（本工程選取風(fēng)荷載作用下的荷載組合），計算得到此狀態(tài)下的支座反力。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362[CD*2]2018）第4.1.8條進(jìn)行拱肋結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算，計算公式如下：

根據(jù)計算結(jié)果可知，在頂推期間拱肋抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)雖然小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》所要求的2.5，但安全儲備不夠。

本文提出在拱腳處進(jìn)行配重來提高頂推施工過程中拱肋的抗傾覆性能，通過對比三組臨時配重作用下拱肋的抗傾覆性能，分析在最不利工況下拱肋結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)與配重荷載之間的關(guān)系，不同配重荷載下拱肋抗傾覆安全系數(shù)變化如表4所示，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨配重荷載變化的規(guī)律如圖5所示。

綜上所得，在拱腳臨時配重后，拱肋抗傾覆穩(wěn)定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，且抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨配重荷載增大而增大，由此可知在拱腳位置處進(jìn)行配重以提高拱肋結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性的方法是可行的。

4.3 橫向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

拱肋在頂推施工過程中，由于運(yùn)輸小車的臨時啟動或制動，將會導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此對拱肋進(jìn)行空間穩(wěn)定性分析，對比不同配重下拱肋各階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)以及失穩(wěn)形態(tài)，然后據(jù)此評價支架的穩(wěn)定性，具體結(jié)果見表5。

根據(jù)表5可知，不同臨時配重作用下拱肋各階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)都大于設(shè)計限值4，但拱腳配重后對拱肋屈曲穩(wěn)定性影響不大。由此可見，采取拱腳臨時配重措施后拱肋頂推時的穩(wěn)定性能夠滿足施工中的要求。

5 結(jié)語

本文針對某大跨度梁拱組合橋頂推施工拱肋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）通過有限元軟件分析可知，對拱腳進(jìn)行臨時配重后拱肋結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化幅度很小，并且彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力都小于規(guī)范限值，因此可知拱腳臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大。

（2）在拱腳臨時配重后，拱肋抗傾覆穩(wěn)定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，且抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨配重荷載增大而增大，因此拱腳位置處進(jìn)行配重提高拱肋結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性的方法是可行的。

（3）不同臨時配重作用下拱肋各階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)都大于設(shè)計限值4，但拱腳配重后對拱肋屈曲穩(wěn)定性影響不大，因此可知采取拱腳臨時配重措施后拱肋頂推時的穩(wěn)定性能夠滿足施工中的要求。

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