變截面鋼管混凝土系桿拱施工階段力學性能分析

沙仁明，薦家鑫，王穎玉，陳文勝，左大寶

（中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司，遼寧 大連 116083）

0 前言

鋼管混凝土拱橋具有跨越能力強、施工便捷、自重輕、適用地形廣泛等特點，是大跨度公路及鐵路橋梁的比選方案之一[1～2]。其中，拱結構可將豎向荷載轉化為壓力，承受彎矩和剪力相比同跨徑的梁更具優(yōu)勢，可節(jié)省材料，增大跨徑能力[3]。

對于下承式鋼管混凝土拱橋靜力性能的研究，學者多集中于拱肋穩(wěn)定性[4～5]、拱腳節(jié)點受力機理[6]方面。此外，黃云等[7]對局部構件施工順序進行優(yōu)化，并建立仿真模型，模擬鋼管與管內(nèi)混凝土之間相互作用；周倩等[8]調(diào)整各分段拱肋管內(nèi)混凝土的澆筑順序，進一步減少了施工工序；韋建剛等[9]、楊綠峰等[10]注重結構參數(shù)變化對結構受力的影響，確定了相對合理的參數(shù)取值范圍。

本文以引江濟淮工程某下承式鋼管混凝土系桿拱橋為背景，采用數(shù)值模擬方法分析施工過程中吊桿受力，明晰吊桿張拉過程鋼管拱肋及主梁線形變化，其結果可為優(yōu)化同類啞鈴型變截面提籃拱設計提供參考。

1 工程概況

本項目屬于引江濟淮工程，橋梁為鋼管混凝土系桿拱橋，橋梁全長293.4m，拱肋內(nèi)傾角約為7°，主橋橋面跨度136m。橋面系梁節(jié)段采用等高度雙邊箱開口截面，梁高約2.8m。底板橫向為平坡，橋面橫坡通過橫梁高度調(diào)整，全寬41m。

主橋兩側布局為柱式墩，主橋側墩柱與引橋側墩邊柱支承于同類型承臺，引橋側墩中柱下設置單獨承臺基礎，承臺下布設鉆孔樁基礎。

橋面系梁為全鋼結構，拱腳位置處設置通長兩邊主梁，即主橋系桿，系桿承受由拱肋產(chǎn)生的推力。邊主梁之間及外側分別設置橫梁和托架，組成梁格體系，橋面采用正交異形橋面板。

2 橋梁總體設計

2.1 拱肋截面

主橋設2片提籃式拱肋，拱頂處拱肋軸線中心水平距離19m，拱腳處軸線水平距離為26.5m。拱肋截面采用變截面啞鈴型鋼管混凝土形式，上下肢鋼管內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。主橋跨中99m范圍內(nèi)，上、下肢鋼管外徑1.3m，壁厚26mm；靠近拱梁結合段處的拱肋鋼管壁厚36mm，其余范圍內(nèi)鋼管壁厚32mm，即拱肋鋼管控制內(nèi)徑一致。

上下弦鋼管內(nèi)分別設置4條板肋，板肋布置避開吊索導管穿越處。拱肋鋼管內(nèi)沿水平距離每2m設置一道環(huán)向加勁肋，環(huán)向加勁肋沿拱軸線徑向布置，且在貼鋼管內(nèi)壁處沿環(huán)向加勁肋周邊開設12個半徑為90mm的半圓孔，以減小鋼管混凝土灌注過程中的阻滯效應。

拱肋空腹段采用“N”形桁式，腹桿采用卷制鋼管Φ650×20mm。實腹段腹板板厚26mm。拱肋上每處吊點位置，吊索導管經(jīng)豎向腹桿穿越上下肢鋼管，吊索錨固于上肢鋼管拱背處，相應位置設置鋼結構錨固平臺。

2.2 風撐

拱肋間共設5道風撐，中間為米字撐，兩側各為2道K撐，風撐為鋼管拼接而成的桁架結構。其中風撐上、下弦鋼管為卷制鋼管，為Φ610×14mm；弦桿之間的腹桿采用無縫鋼管，為Φ351×10mm。

2.3 橋面系梁

橋面系梁兩側邊箱內(nèi)寬2m，邊箱頂板板厚40mm～24mm（端橫梁處頂板厚度為40mm，然后由28mm過渡到24mm）；邊箱底板板厚44mm～28mm；跨中段腹板板厚24mm，拱腳處腹板厚40mm，過渡段腹板厚度28mm。系梁縱向每隔3m設置一道橫隔板。吊桿位置處均對應有橫隔板，普通橫隔板厚16mm，吊桿處橫隔板厚32mm。

梁段腹板伸出橋面形成箱形結構，內(nèi)部設置承壓板，承壓板與拱肋鋼管焊接，承壓板另一側設置兩道十字加勁板，分別對應兩支拱肋鋼管，加勁板與梁段伸出的腹板焊接。箱形拱肋內(nèi)側設置有剪力釘，使箱形拱腳與內(nèi)部填充的混凝土協(xié)同受力。

圖1 拱橋有限元模型

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型

本模型共有1450個節(jié)點，1820個單元。其中主橋跨度為130 m，拱軸線絕對高度為29 m，采用2次拋物線并且矢跨比約為1/4.5。其中，兩片拱肋的拱軸線在拱頂處橫向間距為19m，在拱軸線的拱腳處橫向距離為26.5m；拱肋上、下肢鋼管組成啞鈴型截面，采用鋼管混凝土結構。

3.2 靜力荷載工況

本橋靜力荷載工況分為6類，其中恒荷載包括自重、二期荷載。溫度荷載依據(jù)當?shù)刈罡?、最低氣溫，并考慮組合結構本身的升、降溫特點，按照橋梁整體升溫27℃，降溫39℃考慮，索梁溫差按照±10℃考慮。移動荷載分為人群荷載：總體考慮人行道荷載集度2.4 kN/m2，非機動車道采用2.4 kN/m2，小型車輛取道路設計汽車荷載的最不利值，人行道局部構件荷載集度采用5 kN/m2。

4 施工階段拱橋受力分析

4.1 施工階段劃分

本橋主要劃分為8個施工階段，其中鋼箱梁分5次吊裝，拱肋鋼管包括拱肋1#至拱肋6#，吊桿需張拉10對，見表1所示。

施工階段劃分 表1

4.2 吊桿受力分析

吊桿為桁架單元，承受由拱肋傳遞的豎向為拉力，其中1#～9#吊桿初拉力均小于成橋后吊桿張拉力，各吊桿承受拉應力見圖2所示。

圖2 施工階段吊桿應力變化

分析表2可以發(fā)現(xiàn)各吊桿拉應力隨施工階段的增加均呈現(xiàn)先減小后增加趨勢，且成橋階段吊桿承受拉應力最大，其中1#吊桿承受拉應力為234.9MPa，遠小于該吊桿承受拉應力限值。成橋階段（階段25）拱梁結合位置（1#）吊桿拉應力最大，隨著與跨中截面距離減少，吊桿拉應力逐漸降低，至（9#）吊桿拉應力達到最小值167.7 MPa。這是因為吊桿張拉使鋼箱梁與拱肋協(xié)同受力，拱肋跨中截面梁體上移，靠近拱腳位置拱肋承受荷載逐漸增大，使得橋梁兩端位置吊桿承受拉應力變大。

吊桿張拉拱肋撓度變化（mm） 表2

4.3 拱橋線形變化

拱肋支架拆除后，上、下弦管線形發(fā)生改變，其中豎向位移是衡量變化的指標之一，因此有必要選取代表截面分析拱肋撓度變化。

表2中1#吊桿靠近拱梁結合處，10#吊桿位于拱頂截面?？梢园l(fā)現(xiàn)，拱肋1/4截面撓度逐漸變大，在成橋階段達到撓度峰值，撓度增大15.7%。隨著吊桿張拉，拱頂截面撓度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，且在張拉5#吊桿時撓度值達到最小。這是因為吊桿張拉使拱頂附近線形發(fā)生上移，且張拉跨中截面位置吊桿使截面撓度下降。

主梁撓度在成橋階段均發(fā)生沉降，越靠近跨中截面處，主梁撓度越大。其中跨中截面撓度最大值為41.9 mm，撓跨比為0.322/1000。

5 結論

本文依據(jù)有限元軟件MIDAS/Civil，分析施工階段吊桿應力變化，研究吊桿張拉對橋梁線形變化的影響，得出如下結論：

①吊桿拉應力隨施工階段的推進為先減后增趨勢，并在成橋階段達到峰值拉應力，其中1#吊桿峰值拉應力為234.9MPa；

②施工階段吊桿張拉過程中，拱肋1/4截面撓度逐漸增加，約增大15.7%；

③成橋階段主梁撓度向跨中截面逐漸增大，峰值撓度可達41.9mm，撓跨比為0.322/1000。