某大跨度鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控及有限元分析

姜 趕 超

(武漢市規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程背景

項目地點位于四川省瀘定縣境內(nèi)，是跨越大渡河硬梁寶水電站的附屬橋梁3號橋。橋梁凈跨徑為110 m，采用中承式單孔鋼管混凝土拱橋，橋梁全長135 m。橋梁主體拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，橋面板以下部分的拱肋采用外包混凝土形成實體截面以防止撞擊并保護(hù)拱肋鋼管，拱肋采用懸鏈線無鉸拱，全橋拱肋共13對吊桿，吊桿縱向間距按6.5 m設(shè)置，橫向軸線距為11.1 m。橋臺均采用U型橋臺，基礎(chǔ)均采用樁基承臺基礎(chǔ)。

2 監(jiān)控測點定位

全橋主體拱肋一共設(shè)置7個測試斷面，分別位于拱腳斷面處，1/4L拱肋斷面處，3/8L拱肋斷面處，1/2L拱肋斷面處，5/8L拱肋斷面處，3/4L拱肋斷面處。全橋共50個應(yīng)力監(jiān)控測點，測點布置在每個拱肋的上弦桿和下弦桿上，測點具體定位如圖1，圖2所示。

單向應(yīng)力狀態(tài)下，梁體各測點應(yīng)力按式(1)計算：

σ=E×ε

(1)

其中，E為鋼管材料的彈性模量，取E=2.1 GPa；ε為應(yīng)變計表面處鋼管產(chǎn)生的應(yīng)變。

備注：Q345許用應(yīng)力取230 MPa，100個微應(yīng)變約21 MPa。

通過監(jiān)測控制點的應(yīng)變的測試結(jié)果，代入式(1)可以計算出各測點的應(yīng)力值。

3 有限元模型仿真分析

3.1 計算參數(shù)的選取

本項目采用的材料參數(shù)見表1，建模圖見圖3。

表1 模型材料參數(shù)

3.2 計算模型的建立

本工程將通過專業(yè)的橋梁有限元軟件MIDAS/Civil 6.7.1模擬分析拱橋施工吊裝各個階段的施工過程，具體過程如下：

將主拱肋結(jié)構(gòu)采用三維空梁單元模擬，并依據(jù)設(shè)計施工圖的放樣坐標(biāo)建立模型中的幾何坐標(biāo)，主拱肋間的蓋板及腹桿離散為梁單元進(jìn)行模擬；扣鎖不能受壓，故采用僅受拉的索單元模擬；拱肋與蓋板間的吊桿采用桁架單元模擬。鋼管拱肋與地面間的連接，在吊裝過程中采用鉸結(jié)連接；待拆除扣鎖后，連接采用固結(jié)節(jié)點。全橋基本模型共離散為2 278個單元和1 085個節(jié)點。

依據(jù)上述施工吊裝工藝，設(shè)置施工階段的吊裝計算模型，通過有限元分析計算得到各階段的施工工藝流程如圖4～圖8所示。

4 實測值與理論值的對比分析

鋼管混凝土拱肋在灌注混凝土后的節(jié)段，不計入未灌注混凝土前的初始應(yīng)力值，采用應(yīng)力疊加原理，把每個灌注過程中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行疊加，且僅對鋼管自身應(yīng)力進(jìn)行分析。根據(jù)灌注施工過程的各個工況，計算各灌注工況下拱肋與測量相對應(yīng)的各個鋼管測點值通過現(xiàn)場測點的應(yīng)變值，通過本文第2.1節(jié)式(1)計算出現(xiàn)場測點的應(yīng)力實測值。

采用MIDAS/Civil 6.7.1軟件對全橋進(jìn)行施工階段的模擬仿真分析，同時通過仿真計算結(jié)果應(yīng)力云圖，可以提取在橋梁箱梁各關(guān)鍵部位截面應(yīng)力變化情況。通過前面兩節(jié)得到的實測值和理論值進(jìn)行對比分析，各測點的實際應(yīng)力值和計算應(yīng)力值。由于對稱性，本文取單跨拱肋1/2的測點進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以得出，隨著施工過程的不斷推進(jìn)，實測值與理論值逐漸趨近于接近。從施工各個節(jié)段的總體分析來看，應(yīng)力監(jiān)控實測值產(chǎn)生的正應(yīng)力最大值為125.96 MPa，位于鋪裝完橋面板階段的拱腳處，與有限元軟件模擬分析的最大應(yīng)力值位置相同。說明整個施工過程中最薄弱的位置在拱腳處，建議在吊裝拱肋前，先在拱腳處鋼管灌注混凝土，待拱腳處混凝土達(dá)到一定強度后再進(jìn)行吊裝，以保證吊裝安全。

表2 鋪裝完人行道板實測值與理論值的比較

5 拱肋變形撓度分析

根據(jù)有限元計算模型，混凝土在鋼管內(nèi)未凝固前，宜將自重折算成外加荷載作用于鋼管上。得出拱肋控制點在各灌注階段撓度值(見表3)。各灌注階段上拱肋的累計撓度曲線見圖9。

表3 各施工階段控制點的累計撓度值 mm

從圖9可以看出，施工各階段進(jìn)行過程中，拱肋產(chǎn)生的撓度值逐漸增大，第一階段和第二階段的撓度變化相差不大。拆除扣索后，在扣索位置(1/4截面)撓度明顯有個下降的突變。在鋪裝橋面板后達(dá)到最大，最大撓度位于組后一個階段的拱頂，撓度達(dá)到了-83 mm。全橋跨度為110 m，相對撓度比例為82/110 000=1/1 333<1/500,滿足規(guī)范規(guī)定的撓度限值要求，本工程項目符合安全要求。

6 結(jié)論及建議

綜合拱橋應(yīng)力與拱肋變形有限元計算結(jié)果，本橋施工階段過程中拱肋的應(yīng)力狀態(tài)尚可，拱肋的變形及各施工段的沉降均在允許限值范圍內(nèi)?？偟膩碚f，基本上完成了對鋼管拱肋截面應(yīng)力的監(jiān)測。綜合以上分析，本橋的結(jié)論及建議如下：

1)拱腳處應(yīng)力處在整個施工過程中最薄弱的位置，理論值最大達(dá)到125.96 MPa，建議拱腳處鋼管先灌注混凝土，待達(dá)到一定強度后再進(jìn)行吊裝。

2)在施工進(jìn)行過程中，拱肋產(chǎn)生的撓度值逐漸增大，拆除扣索后，在扣索位置(1/4截面)撓度明顯有個下降的突變。在鋪裝橋面板后達(dá)到最大，最大撓度為83 mm，較符合實際。建議在吊裝拱肋時預(yù)抬高值為8 cm。

3)建議加強日常養(yǎng)護(hù)工作。