萬能桿件鋼拱架方案比選與數(shù)值分析

王詩青， 魏 民

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

當(dāng)拱橋跨越V形山谷，拱橋跨徑較大，且拱圈與谷底距離較大時，由于施工條件的限制性，鋼拱架現(xiàn)澆法可以為這類拱橋的修建提供一種可行的方法且已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

萬能桿件能夠拼裝成各種形式的支架或臨時性設(shè)施，且承受各種變形。利用萬能桿件按一定規(guī)則拼裝施工臨時性結(jié)構(gòu)——鋼拱架，在鋼拱架上完成大橋的混凝土主拱圈分環(huán)分段的澆筑。

本文對鋼筋混凝土箱拱橋拱圈施工過程中的萬能桿件鋼拱架進(jìn)行研究，目的在于通過數(shù)值模擬分析不同截面方案對鋼拱架力學(xué)性能的影響，為施工鋼拱架的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 項目概況

某大橋主橋為130 m鋼筋混凝土箱拱橋，凈跨徑L0=130 m，凈矢高f0=32.5 m，矢跨比f0/L0=1/4 。主拱圈采用懸鏈線等截面混凝土箱型拱，拱軸系數(shù)m=2.206，整體立面布置如圖 1所示。拱圈采用單箱三室箱形截面，拱圈寬為9.5 m，拱圈高2.5 m；頂板、底板厚30 cm，邊腹板厚35 cm，腹板厚30 cm，縱向每隔5 m左右設(shè)一道橫隔板。主跨橋面寬度：2.0 m(人行道)+8.0 m(橋面凈寬)+2.0 m(人行道)=12.0 m。主拱圈采用C50混凝土現(xiàn)澆砌筑，主拱圈橫截面如圖2所示。

圖1 橋型布置示意圖

圖2 拱圈截面圖

大橋主跨拱圈采用在拱架上分環(huán)分段砌筑法施工。拱架由A3 和16Mn 鋼萬能桿件以及Q235特制桿件及節(jié)點板拼成的空間桁架和拱盔構(gòu)成，主拱圈分3環(huán)澆筑而成，每環(huán)又分成3段進(jìn)行澆筑。拱圈澆筑完成后，在拱圈強度達(dá)到設(shè)計要求時進(jìn)行落架。

2 萬能桿件鋼拱架方案

2.1 方案一

采用標(biāo)準(zhǔn)桿件拼裝成4 m×8 m單片節(jié)段(標(biāo)準(zhǔn)單片節(jié)段)，如圖3所示。采用特制桿件、標(biāo)準(zhǔn)桿件拼裝成拱腳特制單片節(jié)段及單片拱頂合龍段。

圖3 方案一鋼拱架標(biāo)準(zhǔn)單片節(jié)段示意圖(縱橋向)

單榀鋼拱架由14片4 m×8 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、2片拱腳特制節(jié)段、單片拱頂合龍段以及節(jié)段間的特制節(jié)點板組成，鋼拱架凈跨為126 m，凈矢高29.7 m，凈矢跨比F/L=0.236，如圖4所示。

圖4 方案一單榀鋼拱架分段圖

全橋橫向布置12榀鋼拱架拱片，兩榀中心間距1.0 m，拱架全寬11 m。兩榀橫向用特制節(jié)點板以及特制桿件連接，如圖5所示。

圖5 方案一鋼拱架橫橋向連接示意圖

2.2 方案二

采用標(biāo)準(zhǔn)桿件拼裝成6 m×8 m單片節(jié)段(標(biāo)準(zhǔn)單片節(jié)段)，如圖6所示。采用特制桿件、標(biāo)準(zhǔn)桿件拼裝成拱腳特制單片節(jié)段及單片拱頂合龍段。

圖6 方案二鋼拱架標(biāo)準(zhǔn)單片節(jié)段示意圖(縱橋向)

單榀鋼拱架由14片6 m×8 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、2片拱腳特制節(jié)段、單片拱頂合龍段以及節(jié)段間的特制節(jié)點板組成，鋼拱架凈跨為122.5 m，凈矢高28.1 m，凈矢跨比F/L=0.229，如圖7所示。

圖7 方案二單榀鋼拱架分段圖

全橋橫向布置7榀鋼拱架拱片，兩榀中心間距2.0 m，拱架全寬12 m。兩榀橫向用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點板以及標(biāo)準(zhǔn)桿件連接，如圖8所示。

圖8 方案二鋼拱架橫橋向連接示意圖

3 有限元模型

本文采用MIDAS/Civil建立有限元模型，萬能桿件采用梁單元進(jìn)行模擬，拱圈采用板單元進(jìn)行模擬。拉索及纜風(fēng)索均用桁架單元進(jìn)行模擬。鋼拱架和拱圈底板采用剛性連接。方案一模型如圖9所示，方案二模型如圖10所示。

圖9 方案一模型圖

圖10 方案二模型圖

計算荷載考慮了自重、施工荷載、風(fēng)荷載、纜風(fēng)索初拉力荷載以及溫度荷載。自重包括鋼拱架及鋼筋混凝土拱圈的自重。施工荷載考慮到拱盔、施工設(shè)備以及人員等在施工過程中對結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生的影響，在整個拱圈底板面施加6 kN/m2的均布荷載，通過拱圈底板傳遞給鋼拱架。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》 (JTG/T D60-2004)計算得到風(fēng)荷載大小F=1.9 kN/m。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，合龍溫度15℃，溫度荷載采用升溫31 ℃、降溫24 ℃定義。纜風(fēng)索初拉力荷載為80 kN(在數(shù)值模擬分析過程中，纜風(fēng)索的初拉力為80 kN，在施工過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)鋼拱架的吊裝過程的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整)。

各施工階段的荷載組合： 1.0自重+1.0施工荷載+1.0風(fēng)荷載+1.0纜風(fēng)索初拉力荷載

PostCS荷載組合：① 1.2恒荷載+1.0升溫;②1.2恒荷載+1.0降溫 (其中自重、施工荷載、風(fēng)荷載、纜風(fēng)索初拉力荷載均為恒荷載)

分為20個施工階段，CS 1～CS 8施工階段模擬節(jié)段1～節(jié)段8拱架的纜索吊裝，CS 9施工階段模擬鋼拱架合龍(節(jié)段9吊裝)，CS 10 施工階段模擬扣索拆除。

拱圈縱橋向分三段現(xiàn)澆，CS 11～CS 13施工階段模擬拱圈一環(huán)一段、一環(huán)二段、一環(huán)三段現(xiàn)澆施工，CS 14～CS 16施工階段模擬拱圈二環(huán)一段、二環(huán)二段、二環(huán)三段現(xiàn)澆施工，CS 17施工階段模擬拱圈橫隔板現(xiàn)澆施工，CS 18～CS 20施工階段模擬拱圈三環(huán)一段、三環(huán)二段、三環(huán)三段現(xiàn)澆施工。

4 分析結(jié)果

4.1 方案一分析結(jié)果

方案一PostCS荷載組合②(1.2恒荷載+1.0降溫)狀態(tài)的應(yīng)力如圖11所示，最大壓應(yīng)力為146.7 MPa、最大拉應(yīng)力為77.4 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖11 方案一PostCS鋼拱架應(yīng)力圖(降溫)

PostCS鋼拱架應(yīng)力最大值及位移最大值參表1。

表2 方案一PostCS鋼拱架應(yīng)力最大值(MPa)及位移最大值(cm)

方案一拱圈分環(huán)分段澆筑階段,鋼拱架各桿件應(yīng)力最大值以及位移最大值參見表2，各施工階段穩(wěn)定系數(shù)參見表3。

表2 鋼拱架各桿件應(yīng)力最大值(MPa)以及位移最大值(cm)

表3 各施工階段穩(wěn)定系數(shù)

弦桿、立桿、斜桿以及橫向連接的應(yīng)力圖如圖12～圖15所示。

圖12 弦桿應(yīng)力圖

圖13 立桿應(yīng)力圖

圖14 斜桿應(yīng)力圖

圖15 橫向連接應(yīng)力圖

分析結(jié)果表明:方案一的鋼拱架的強度、剛度及穩(wěn)定性均能滿足主拱圈正常施工要求，并且該鋼拱架能夠滿足規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載、施工荷載、溫度荷載、纜風(fēng)索初拉力荷載及拱圈自重荷載組合作用下的承載力要求。

4.2 方案二分析結(jié)果

方案二PostCS荷載組合②(1.2恒荷載+1.0降溫)狀態(tài)的應(yīng)力如圖16所示，最大壓應(yīng)力為281.4 MPa、最大拉應(yīng)力為314.8 MPa，不滿足規(guī)范要求，其他分析結(jié)果不再贅述。

圖16 方案二PostCS鋼拱架應(yīng)力圖(降溫)

5 結(jié) 論

(1)通過對方案一鋼拱架的每個施工階段計算分析，強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，此方案用于拱圈的現(xiàn)澆施工是可行的。

(2)方案二較方案一每一榀增加一層主要承力桿件弦桿，從分析結(jié)果來看，增加一層弦桿對于承受拱圈的重量并沒有明顯提升(數(shù)值分析不能通過)。