高速鐵路（90+200+90）m連續(xù)剛構(gòu)拱拱肋施工方法研究

傅安民

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300308

在橋梁工程中，不同的施工方法對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系、荷載類(lèi)型和受力特點(diǎn)各不相同，因此橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)成橋后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，還須考慮相應(yīng)施工方法，以便準(zhǔn)確模擬橋梁施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)體系和受力特點(diǎn)，保證橋梁施工安全與健康運(yùn)營(yíng)。大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋拱肋的施工方法主要有支架施工法和轉(zhuǎn)體施工法。文獻(xiàn)［1］對(duì)豎向轉(zhuǎn)體法拱肋架設(shè)、拱肋混凝土泵送順序等主要施工過(guò)程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［2］提出了一種新型鋼-混凝土組合拱橋的豎向轉(zhuǎn)體體系，并對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行了受力分析。文獻(xiàn)［3］詳細(xì)闡述了鋼管拱豎向轉(zhuǎn)體施工方案、安裝方法及同步提升豎向轉(zhuǎn)體施工的控制要點(diǎn)。文獻(xiàn)［4］對(duì)采用貝雷架體系搭建不同結(jié)構(gòu)形式的拱肋支架方案進(jìn)行了優(yōu)化和研究。文獻(xiàn)［5］對(duì)施工過(guò)程中鋼管拱肋支架的搭設(shè)安裝、鋼管拱肋混凝土的灌注與拱肋支架拆除的施工順序進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［6］介紹了橋面少支架法施工工藝、施工步驟和施工控制要點(diǎn)。文獻(xiàn)［7］提出了大跨度簡(jiǎn)支拱支架施工法的施工方案設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［8］對(duì)一座鋼管混凝土拱橋施工方法構(gòu)建了以成本、工期、技術(shù)可行性、施工條件、環(huán)境保護(hù)五大因素為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的層次評(píng)價(jià)模型，確定了纜索吊裝法為相對(duì)較優(yōu)的施工方案。文獻(xiàn)［9］提出了先支架拼裝再豎向轉(zhuǎn)體合龍的方案，通過(guò)方案比選，采用單拱肋和雙拱肋單元整體吊裝相結(jié)合的纜扣法施工方案。文獻(xiàn)［10-11］從施工安全性、施工工期、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)澆支架的受力性能和保證拱肋節(jié)段拼裝精度、線形控制等方面確定了豎向轉(zhuǎn)體法為較優(yōu)的施工方案。文獻(xiàn)［12］對(duì)比分析了支架拼裝和豎向轉(zhuǎn)體兩種方法在施工過(guò)程中的內(nèi)力、應(yīng)力及豎向位移。

上述文獻(xiàn)主要對(duì)拱肋某一種施工方法的施工技術(shù)、施工步驟、關(guān)鍵部位受力進(jìn)行研究，或從施工安全性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性等對(duì)拱肋施工方法進(jìn)行對(duì)比研究，而關(guān)于支架施工和豎向轉(zhuǎn)體施工方法對(duì)拱肋混凝土和拱肋鋼管受力、變形的影響分析較少。

本文以一座高速鐵路大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱為例，采用MIDAS/Civil模擬施工過(guò)程，對(duì)支架施工和豎向轉(zhuǎn)體拱肋施工方法下施工階段和運(yùn)營(yíng)階段拱肋混凝土和拱肋鋼管的內(nèi)力、應(yīng)力、位移進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

一座高速鐵路橋梁在景德鎮(zhèn)內(nèi)跨越昌江，主橋上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型為（90+200+90）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)速度350 km/h，ZK活載，雙線線間距5 m，軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道，位于直線-9.5‰～7.5‰的縱坡上。環(huán)境類(lèi)別為碳化環(huán)境，作用等級(jí)為T(mén)2級(jí)，年平均相對(duì)濕度78%。橋址處地震設(shè)防烈度Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度0.05g。采用先梁后拱的施工方法，即在主梁掛籃懸臂澆筑施工完成后再進(jìn)行拱肋的施工。主橋橋型布置如圖1所示。

圖1（90+200+90）m連續(xù)剛構(gòu)拱橋型布置（單位：m）

主梁采用單箱雙室變高度直腹板箱形截面，中支點(diǎn)處梁高11.5 m，邊跨直線段和跨中直線段梁高5 m，梁底下緣按二次拋物線變化。主梁頂寬一般段13.2m，中支點(diǎn)處考慮拱腳影響，主梁頂寬線性變化為15.9 m，底寬均為10.8 m。主墩采用雙肢薄壁墩，為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，雙肢薄壁墩中心間距6.4 m，壁厚2.0 m，2#、3#墩墩高均為27 m。拱肋采用豎直平行鋼管混凝土啞鈴拱（圖2），從橋面開(kāi)始起拱，兩拱肋中心距11.9 m，拱肋立面矢高40 m，計(jì)算跨度為200 m，矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線。拱肋高3.3 m，拱肋鋼管直徑1.2 m，壁厚為20、24 mm，腹板壁厚16 mm。拱肋鋼管及腹腔內(nèi)灌注混凝土。拱肋間設(shè)置11道桁架式橫撐，橫撐為空鋼管，內(nèi)部不填充混凝土。吊桿采用整束擠壓鋼絞線，吊桿縱向間距9.0 m，共設(shè)20對(duì)縱向雙吊桿。拱腳橫向?qū)?.9 m，橫向兩側(cè)邊緣距離拱肋鋼管0.35 m。

圖2（90+200+90）m連續(xù)剛構(gòu)拱拱肋布置（單位：cm）

2 有限元模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行模擬計(jì)算，全橋共劃分為1 893個(gè)單元，1 338個(gè)節(jié)點(diǎn)。主梁、橋墩、承臺(tái)、拱腳、拱肋、橫撐各桿件均采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。拱肋采用啞鈴形截面，鋼管內(nèi)部填充混凝土，采用雙單元、共節(jié)點(diǎn)的方法模擬鋼管混凝土拱肋。吊桿采用桁架單元模擬，僅考慮軸向的拉伸剛度。

主梁、拱腳均采用C60混凝土，拱肋采用C55自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，主墩墩頂以下2.2 m范圍采用C60混凝土，并同主梁一起澆筑，其余部分采用C50混凝土。拱肋鋼管、橫撐采用Q345qD鋼材，吊桿采用整束擠壓鋼絞線吊桿。主梁、拱肋混凝土、主墩、拱腳、拱肋鋼材的重度按結(jié)構(gòu)實(shí)際重量進(jìn)行換算，分別取26.5、24.0、27.0、29.1、95.2 kN/m3，彈性模量、泊松比及其余結(jié)構(gòu)的重度均按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求考慮。主梁、拱肋混凝土收縮徐變按JTGD62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，其中主梁相對(duì)濕度根據(jù)氣象資料取78%，拱肋混凝土相對(duì)濕度考慮所處環(huán)境予以折減，取90%。

主梁與吊桿之間，拱肋與橫撐之間的連接均采用彈性連接中的剛性連接進(jìn)行模擬，主梁與主墩之間的連接采用主從節(jié)點(diǎn)約束模擬。主墩承臺(tái)底采用六自由度的節(jié)點(diǎn)彈性支承來(lái)模擬樁-土相互作用。

3 拱肋施工方法模擬

在MIDAS/Civil中模擬大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋拱肋支架施工和豎向轉(zhuǎn)體施工，并選取拱腳、拱肋變截面（距拱腳6 m處）、1/4跨和拱頂四個(gè)位置的內(nèi)力、應(yīng)力及位移進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 支架施工法

①施加橋面臨時(shí)荷載階段，模擬拼裝拱肋用支架重量；②拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段，僅模擬拱肋在支架上全部焊接完成后的狀態(tài)；③施加拱肋混凝土濕重階段，模擬泵送拱肋混凝土過(guò)程，但混凝土還無(wú)法承受外荷載作用；④拱肋混凝土成型階段，模擬拱肋混凝土成型后能承受外荷載的狀態(tài)；⑤拱肋支架移除階段，模擬移除拱肋支架的過(guò)程，即鈍化拱肋節(jié)點(diǎn)彈性支承及拱肋支架重量。

3.2 豎向轉(zhuǎn)體法

①施加橋面臨時(shí)荷載階段，模擬拼裝拱肋用臨時(shí)支架及拱肋鋼管、橫撐等重量；②拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段，僅模擬拱肋豎向轉(zhuǎn)體并合龍后的拱肋就位狀態(tài)，省略了拱肋豎轉(zhuǎn)、合龍等過(guò)程；③施加拱肋混凝土濕重階段，模擬泵送拱肋混凝土過(guò)程，但混凝土還無(wú)法承受外荷載作用，同時(shí)鈍化拼裝拱肋用臨時(shí)支架重量；④拱肋混凝土成型階段，模擬拱肋混凝土成型后能承受外荷載的狀態(tài)。

4 施工階段拱肋施工方法分析

取拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝、施加拱肋混凝土濕重、拱肋混凝土成型、拱肋支架移除等施工階段進(jìn)行拱肋施工方法分析?？紤]到拱肋施工是較為靠前的一個(gè)施工階段，后續(xù)施工階段拱肋受力是否會(huì)受拱肋施工方法的影響還須進(jìn)一步研究。因此，增加吊桿張拉結(jié)束階段即安裝吊桿D10階段，對(duì)比分析拱肋鋼管和拱肋混凝土的內(nèi)力、應(yīng)力及位移。

4.1 內(nèi)力對(duì)比

4個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比分別見(jiàn)表1—表4。表中軸力以受拉為正，受壓為負(fù)；彎矩以截面下緣受拉為正，截面下緣受壓為負(fù)。

表1 拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段內(nèi)力

表2 施加拱肋混凝土濕重階段內(nèi)力

表3 拱肋混凝土成型階段內(nèi)力對(duì)比

表4 安裝吊桿D10階段內(nèi)力

由表1—表4可知：①由于拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段及施加拱肋混凝土濕重階段支架施工法有拱肋支架支承，拱肋鋼管的軸力和彎矩均較小，而豎向轉(zhuǎn)體法中拱肋鋼管須承擔(dān)自重及拱肋混凝土濕重，拱肋鋼管的軸力和彎矩均較大。②在拱肋混凝土成型階段，采用支架施工法時(shí)拱肋鋼管除拱頂處彎矩比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略大外，其余位置軸力和彎矩均比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。該階段兩種施工方法的拱肋混凝土軸力和彎矩均較小，差異不大。③在安裝吊桿D10階段，采用支架施工法時(shí)拱肋混凝土除1/4跨處彎矩比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略小外，其余位置的軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)大，而拱肋鋼管除拱頂處彎矩比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略大外，其余位置的軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。

綜上，采用支架施工法時(shí)，拱肋混凝土和拱肋鋼管能更均勻地分擔(dān)外荷載作用。采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)，拱肋鋼管的內(nèi)力較大，而拱肋混凝土的內(nèi)力較小。

4.2 應(yīng)力對(duì)比

4個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比分別見(jiàn)表5—表8。表中應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)。由表5—表8可知：兩種拱肋施工方法下，拱肋鋼管和拱肋混凝土應(yīng)力規(guī)律與內(nèi)力規(guī)律相似。①采用支架施工法時(shí)，在拱肋支架移除前的拱肋混凝土成型階段，除拱腳附近拱肋鋼管應(yīng)力達(dá)到3 MPa外，其余位置拱肋鋼管應(yīng)力均不到2 MPa，拱肋混凝土應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)。在安裝吊桿D10階段中，拱肋鋼管和拱肋混凝土的應(yīng)力均有所增大，拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為35.2、60.9 MPa，發(fā)生在拱頂和拱腳位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為4.8、8.1 MPa，發(fā)生在拱頂和拱腳位置。②采用豎向轉(zhuǎn)體施工法時(shí)，在拱肋混凝土成型階段，拱肋鋼管的應(yīng)力較大，拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為78.3、120.0 MPa，發(fā)生在1/4跨和拱腳位置。拱肋混凝土的應(yīng)力較小，可忽略不計(jì)。在安裝吊桿D10階段中，拱肋鋼管和拱肋混凝土的應(yīng)力仍有增加，拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為79.1、131.0 MPa，發(fā)生在1/4跨和拱腳位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為2.0、1.7 MPa，發(fā)生在拱頂和拱腳位置。

表5 拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段應(yīng)力 MPa

表8 安裝吊桿D10階段應(yīng)力對(duì)比 MPa

綜上，采用支架施工法時(shí)，拱肋混凝土和拱肋鋼管之間的應(yīng)力分布比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)更均勻，拱肋混凝土應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略大，而拱肋鋼管的應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。

表6 施加拱肋混凝土濕重階段應(yīng)力 MPa

表7 拱肋混凝土成型階段應(yīng)力對(duì)比 MPa

4.3 位移對(duì)比

主要施工階段拱頂豎向位移見(jiàn)表9。表中位移向上為正，向下為負(fù)?？芍袄呋炷脸尚秃筘Q向轉(zhuǎn)體施工法的拱頂位移是支架施工法的2.4倍。在安裝吊桿D10階段，兩種拱肋施工方法的拱頂位移均有所增加，豎向轉(zhuǎn)體法拱頂位移是支架施工法的1.9倍。

表9 主要施工階段拱頂位移對(duì)比 mm

5 運(yùn)營(yíng)階段拱肋施工方法分析

為分析兩種拱肋施工方法對(duì)運(yùn)營(yíng)階段拱肋受力的影響，取施工完二期恒載后30年即“運(yùn)營(yíng)30年階段”恒載作用下拱肋鋼管和拱肋混凝土的內(nèi)力、應(yīng)力及位移進(jìn)行對(duì)比。

運(yùn)營(yíng)30年階段內(nèi)力對(duì)比見(jiàn)表10?？芍?，運(yùn)營(yíng)階段受二期恒載施工、混凝土收縮徐變的影響，兩種拱肋施工方法的內(nèi)力差異與施工階段有所不同。在運(yùn)營(yíng)30年階段，采用支架施工法時(shí)拱肋混凝土軸力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略大，彎矩比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)?。ü绊敵猓袄咪摴茌S力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小，拱肋鋼管彎矩除1/4跨和拱頂位置支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略大以外，其余位置均比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。

表10 運(yùn)營(yíng)30年階段內(nèi)力對(duì)比

運(yùn)營(yíng)30年階段應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表11?？芍孩俨捎弥Ъ苁┕し〞r(shí)，拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為77.2、91.0 MPa，發(fā)生在拱頂和拱肋變截面位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為3.7、4.0 MPa，發(fā)生在拱腳和拱肋變截面位置。②采用豎向轉(zhuǎn)體施工法時(shí)，拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為104、147 MPa，發(fā)生在拱頂和拱肋變截面位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為3.2、2.2 MPa，發(fā)生在拱腳和1/4跨位置。

表11 運(yùn)營(yíng)30年階段應(yīng)力對(duì)比 MPa

運(yùn)營(yíng)階段與施工階段的應(yīng)力變化規(guī)律一致。采用支架施工法時(shí)拱肋混凝土應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)大，而拱肋鋼管的應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。由于兩種拱肋施工方法的拱肋混凝土應(yīng)力均不大，且混凝土壓應(yīng)力可以抵消運(yùn)營(yíng)階段活載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，所以運(yùn)營(yíng)階段恒載作用下拱肋混凝土壓應(yīng)力越大對(duì)結(jié)構(gòu)越有利。而豎向轉(zhuǎn)體法的拱肋鋼管壓應(yīng)力已達(dá)到鋼材基本容許應(yīng)力的70%，考慮運(yùn)營(yíng)階段活載還將產(chǎn)生壓應(yīng)力，所以運(yùn)營(yíng)階段恒載作用下拱肋鋼管壓應(yīng)力越小對(duì)結(jié)構(gòu)越有利。因此，從拱肋受力方面考慮，支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法更有優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)營(yíng)30年階段采用拱肋支架施工法和豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂豎向位移分別為-67.4、-99.1 mm，采用豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂位移為采用支架施工法的1.5倍。

6 結(jié)論

1）在拱肋施工階段，采用支架施工法時(shí)拱肋混凝土軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)大，而拱肋鋼管的軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。在運(yùn)營(yíng)階段，采用支架施工法時(shí)拱肋混凝土軸力比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)大，彎矩除拱頂位置比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略大以外，其余位置均比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小，而拱肋鋼管軸力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小，拱肋鋼管彎矩除1/4跨和拱頂位置支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)略大以外，其余位置均比豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。

2）在拱肋施工階段和運(yùn)營(yíng)階段，采用支架施工法時(shí)拱肋混凝土應(yīng)力均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)大，而拱肋鋼管的應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時(shí)小。

3）在拱肋施工階段和運(yùn)營(yíng)階段，采用豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂位移均比采用支架施工法時(shí)大，豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂位移分別是支架施工法時(shí)的2.4倍和1.5倍。

4）從拱肋受力及變形方面考慮，支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法更有優(yōu)勢(shì)。