不同風荷載作用對大跨度鋼管混凝土拱橋施工影響分析

王詩海 唐咸遠 李松敖

摘? 要：為研究不同等級風荷載對施工過程中大跨度鋼管混凝土拱橋的力學性能的變化，采用Midas/Civil軟件對廣西某主跨為336 m的中承式鋼管混凝土拱橋的橫橋向位移、軸力、拉壓應力及拱腳處彎矩值的變化情況進行了分析.分析研究表明：橫橋向位移、軸力及拱腳處彎矩隨不同重現(xiàn)期風荷載的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，在最大懸臂端階段時橫橋向位移和拱腳處彎矩取得最大值，隨后逐漸減小，而軸力在拱肋合龍時取得最大值后才逐漸減小;同一施工階段拱的拉壓應力隨重現(xiàn)期風荷載的增加而增大，構(gòu)件所受的實際拉應力都小于實際壓應力，但各相對施工階段的增長率在逐漸減小.

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋;風荷載;施工階段;有限元分析

中圖分類號：U448.22;U441.2? ? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.005

0? ? 引言

隨著我國對鋼管混凝土拱橋的建設逐漸增多，跨度需求也愈來愈大，其施工的質(zhì)量控制及安全保障問題日益突出 [1-5].國內(nèi)外諸多學者對優(yōu)化橋梁施工及影響橋梁安全因素等方面做了不少的研究，有限元模擬軟件的開發(fā)也為橋梁復雜構(gòu)件施工提供了可視化分析與理論依據(jù)，大大促進了橋梁的快速發(fā)展[6-7].目前，大多數(shù)學者對鋼管混凝土拱橋在施工階段時拱肋吊裝及扣索的受力變化規(guī)律進行了探究，也有對拱橋的拱軸線型進行重新設計與優(yōu)化分析，雖然這些舉措為橋梁施工提供了一定的參考依據(jù)，提高了成橋后橋梁的強度和穩(wěn)定性，但都未考慮施工條件下風荷載對橋梁自身結(jié)構(gòu)的影響[8-12].風荷載是一種隨機荷載，風對橋梁的影響表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，當風荷載達到橋梁結(jié)構(gòu)承受極限范圍之外時，往往會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形破壞從而導致整橋的坍塌[13].對于懸臂施工的大跨度斜拉橋、連續(xù)梁橋應該考慮施工階段的風荷載作用，相關研究也有不少[14-15].但相對于大跨度鋼管混凝土拱橋在采用不同的施工方式及考慮風荷載對橋身結(jié)構(gòu)的影響研究相對較少，且不同地區(qū)的地質(zhì)氣候環(huán)境對橋梁施工的影響也有差別[16].因此，加強對橋梁施工階段的抗風性能研究，防止風荷載對橋梁的破壞、保證施工安全具有重要的現(xiàn)實意義.本文通過對一主跨為336 m的鋼管混凝土拱橋為研究背景，結(jié)合施工現(xiàn)場情況及監(jiān)控情況，分析不同重現(xiàn)期風荷載對橋梁施工階段的橫橋向位移、軸力、拉壓應力及拱腳處彎矩值的變化規(guī)律，以期研究和了解其在施工各階段的受力變化情況.

1? ? 工程概況

1.1? ?大橋基本概況

如圖1、圖2所示，廣西來賓某跨紅水河大橋，主橋長336 m，橋面寬54.4 m，引橋長217 m，全橋長553 m，按兩幅橋進行設置，單幅橋的橋面總寬為25.5 m，設計速度為120 km/h;橋跨徑由? ? ? ? 5×30 m+336 m+2×30 m組合而成;橋面梁由“工”字型的格子梁構(gòu)成;橋面系由鋼縱梁以及鋼主、次橫梁的鋼-混凝土構(gòu)成的橋面板并采用瀝青混凝土對橋面進行鋪裝，鋼縱梁由鋼橫梁懸臂拼接而成.

1.2? ?主橋施工概況

通過配置額定起重能力達到1 000 kN的主索對大橋上部結(jié)構(gòu)進行吊裝，塔架系統(tǒng)采用將吊塔和扣塔共用的“吊、扣合一”方式，拱肋均為廠內(nèi)預制的構(gòu)件且采用兩岸對稱往跨中的施工方式進行.每跨主拱肋共有24段，分左右兩個半拱從紅水河兩岸分別按照1～12段的對稱順序進行施工，在中間第12節(jié)段安裝完成，主橋上部結(jié)構(gòu)施工共劃分為40個施工段.

2? ? 風荷載計算與模型建立

2.1? ?風荷載計算

因大橋位于廣西來賓市附近，橫跨一條紅水河，地表地貌類型可劃分為B類，根據(jù)來賓重現(xiàn)期基本風速分布表按重現(xiàn)期20年、40年和100年取值，平均風速分別取為22.8 m/s、23.7 m/s和24.9 m/s（相當于9～10級風力）.結(jié)合設計與施工圖紙，以拱腳處作為零基準面，分別計算各個施工節(jié)段隨基準高度變化時所對應的等效靜風風速.風荷載基本參數(shù)取值與計算根據(jù)規(guī)范來確定[17]，分別計算得到不同重現(xiàn)期內(nèi)各施工節(jié)段弦桿及腹桿單位長度上的靜風線荷載如表1所示.

從表1分析可知，由節(jié)段1至節(jié)段12時，在不同重現(xiàn)期風荷載作用下的施工等效靜風風速均增加了23.6%，相應的弦桿線荷載、腹桿線荷載增加了52.5%;其中主梁線荷載在節(jié)段7時取得最大值，較節(jié)段1增加了41.1%，節(jié)段12相較取得最大值的節(jié)段7減小了5.12%;隨著施工節(jié)段的進行，不同重現(xiàn)期風荷載及不同施工等效靜風風速下的主梁線荷載均大于弦桿線荷載和腹桿線荷載.

根據(jù)表1，繪制不同重現(xiàn)期風荷載作用下的施工等效靜風風速、主梁線荷載、弦桿線荷載和腹桿線荷載隨各節(jié)段構(gòu)件的變化規(guī)律情況如圖3—圖6所示.如圖3所示，隨著各節(jié)段構(gòu)件的有序施工，各重現(xiàn)期內(nèi)的施工等效靜風風速逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定;從圖4—圖6分析可知，靜風線荷載隨不同重現(xiàn)期風荷載的增加明顯增大，其中主梁線荷載的影響最大，在節(jié)段7取得最大值，隨后有小幅度的降低，而弦桿線荷載和腹桿線荷載隨不同重現(xiàn)期風荷載的增加而增大并逐漸趨于穩(wěn)定.在同一施工節(jié)段處，重現(xiàn)期40年風荷載相對于重現(xiàn)期20年風荷載，同一節(jié)段處的施工等效靜風風速均增加了3.9%，相應的主梁線荷載、弦桿線荷載及腹桿線荷載均增加了8.1%;重現(xiàn)期100年風荷載相對于重現(xiàn)期20年風荷載，同一節(jié)段處的施工等效靜風風速均增加了16.7%，相應的主梁線荷載、弦桿線荷載及腹桿線荷載均增加了36.2%.表明隨著重現(xiàn)期風荷載的不斷增加，同一節(jié)段處的施工等效靜風風速、主梁線荷載、弦桿線荷載及腹桿線荷載也在不斷的增大.

2.2? ?有限元模型建立

如圖7所示，橋梁有限元模型中的扣索和吊桿選用軟件內(nèi)提供的索單元進行實現(xiàn)，橋面板選取板單元實現(xiàn)，其它選取空間梁單元模擬實現(xiàn).建模時對扣索的模擬考慮了扣索整個長度的剛度等效，并與實際纜索吊裝施工相符;混凝土灌注施工過程采用軟件自帶的施工階段聯(lián)合截面功能進行模擬分析;橋面系格構(gòu)梁和立柱之間通過主從節(jié)點進行模擬;橋梁上的二期恒載作用采用均布荷載的方式給予施加.設計的汽車最大行駛速度為120 km/h，橋面上的人群荷載和汽車荷載分別設為3.5 kN/m2和城市A級，沖擊系數(shù)取0.11進行計算分析.

3? ? 施工階段靜風穩(wěn)定性分析

選取具有代表性6種工況進行分析，由于大橋左右幅跨度及高度相同，因此，選擇一幅進行計算，并考慮風荷載作用下最大懸臂施工階段左右半跨的穩(wěn)定性.橫橋向風荷載相較于順橋向風荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響作用更大，故文章只考慮不同等級風荷載對橫橋方向上的影響作用分析，將表1中計算得到的相關值輸入到橋型各施工階段的不同結(jié)構(gòu)中，分別進行計算，得到橫橋方向上的位移、軸力、拉壓應力以及拱腳處彎矩的變化值.

3.1? ?橫橋向位移

利用Midas/Civil有限元軟件對重現(xiàn)期20年、40年和100年風荷載以及恒載作用下橫橋向位移（均位于左側(cè)），拱肋各施工段對應的豎向位移最高處節(jié)段上弦桿頂端進行計算分析，具體分析結(jié)果如圖8所示（均取最大位移絕對值）.由圖8分析可知：1）不同重現(xiàn)期風荷載作用與恒載作用下相比，橫橋向的位移變化較為明顯且呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律趨勢，均在最大懸臂端施工階段（CS12）取得最大值，而后隨各施工階段的進行橫橋向位移逐漸減小至穩(wěn)定;2）在最大懸臂施工階段（CS12）處，重現(xiàn)期20年、100年的風荷載比恒載作用下要分別增大約15倍、20倍，故當風荷載較大時，應該采取加固措施來保證拱肋的穩(wěn)定，并加強對拱肋的各方位監(jiān)控，確保拱肋及其它構(gòu)件的順利施工.

3.2? ?橫橋向軸力

通過計算不同重現(xiàn)期風荷載及恒載作用下各施工階段對應的橫橋向軸力關系曲線如圖9所示.從圖9分析可知：1）在恒載和不同重現(xiàn)期風荷載分別作用下，橫橋向軸力隨各施工階段進行的變化趨勢較一致，說明在橫橋向風荷載作用下會對設有臨時或永久橫撐的橋梁部位產(chǎn)生橫橋向軸力.2）橫橋向軸力隨著拱肋吊裝施工階段（CS1～CS12）的進行均在不斷增加，且在拱肋合龍時（CS13）取得最大值，隨后續(xù)施工階段的進行橫橋向軸力逐漸減小，而在橋面最大懸臂階段（CS31）處又繼續(xù)回升穩(wěn)定至成橋階段（CS40），這是因為橋梁在拱肋與橋面合龍后受到自重和頂推力等各方面力的共同作用而導致的.3）考慮重現(xiàn)期100年的風荷載作用比單恒載作用下的橫橋向軸力增大約13.2%，表明相同施工階段的橫橋向軸力受風荷載的影響不大.

3.3? ?拉、壓應力

不同重現(xiàn)期風荷載以及恒載作用下最大組合應力的計算結(jié)果如表2所示.其中施工階段的最大拉應力均發(fā)生在左側(cè)拱肋第一節(jié)段的下層橫腹桿處，在成橋階段則位于右側(cè)橋面格子梁上;最大壓應力在不同階段均出現(xiàn)在左側(cè)拱肋第一節(jié)段主拱肋外側(cè)連接處.

3.4? ?拱腳處彎矩

不同重現(xiàn)期風荷載以及恒載作用下隨不同施工階段進行的拱腳處彎矩變化關系曲線如圖12所示.由 圖12分析可知：1）隨各施工階段的進行，在重現(xiàn)期20年、40年及100年風荷載作用下的拱腳處彎矩均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，各變化趨勢較為一致，在拱肋最大懸臂階段（CS12）時拱腳處的彎矩值取得最大值，相對于恒載作用下時并不是在此階段取得最大值，而是在下一拱肋合龍階段（CS13）才取得;? ?2）重現(xiàn)期100年的風荷載比恒載作用下的最大彎矩增大約31.2%，表明在拱肋吊裝階段不同等級的風荷載對橋梁各部分結(jié)構(gòu)彎矩的影響較大，因此，在風荷載作用下，應加強穩(wěn)定措施，以防拱肋出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞.

4? ? 結(jié)論

通過Midas/Civil軟件對大跨度鋼管混凝土拱橋施工中在不同等級的風荷載作用，不同施工階段的受力及變形進行分析，得出的結(jié)論主要有：

1）橋梁施工階段應考慮不同等級風荷載對各橋梁構(gòu)件施工的影響.隨著不同重現(xiàn)期風荷載的增加，橫橋向位移、軸力及拱腳處彎矩也逐漸增大，橫橋向位移和拱腳彎矩在最大懸臂端階段達到峰值，之后逐漸減小，而軸力在拱肋合龍時才取得峰值.

2）橋面吊裝施工階段最大彎矩發(fā)生于拱肋與橋面銜接處位置，在橋面最大懸臂階段時，拱肋與橋面銜接處的彎矩將取得峰值，因此，在橋梁施工中應加強拱肋與橋面銜接處的施工監(jiān)控，以防止強風條件下拱肋與橋面形成扭轉(zhuǎn)破壞.

3）同一施工階段拱的拉、壓應力均隨不同重現(xiàn)期風荷載的增加而增大，但各相對施工階段的增長率在逐漸減小;同一施工階段構(gòu)件所受的拉應力遠小于壓應力，且拉、壓應力均小于鋼管的容許應力值.

4）結(jié)合Midas/Civil有限元軟件對橋梁在不同等級風荷載作用下的施工各階段分析，可以為橋梁在不同施工階段采取相應的監(jiān)控措施提供參考依據(jù)，這對確保施工的安全和提高監(jiān)測效率具有重要意義.

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（責任編輯：羅小芬、黎? ?婭）