大跨徑梁拱組合剛構(gòu)橋下弦拱梁懸澆施工力學(xué)行為分析

李亞勇，楊培誠，周學(xué)勇，陳勝凱，丁艷超

(1. 中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 400055； 2. 中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004； 3. 中國城鄉(xiāng)控股集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430208； 4. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 5. 重慶華盛檢測技術(shù)有限公司，重慶 400714)

0 引 言

梁拱組合剛構(gòu)橋是一種由拱圈和剛構(gòu)的剛性連接，并共同承擔(dān)荷載的新型組合體系橋梁。該類橋型同時(shí)具備拱橋跨越能力大和剛構(gòu)橋剛度大的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)受力更為合理[1-4]。國內(nèi)學(xué)者通過建立空間計(jì)算模型分析了梁拱組合剛構(gòu)橋的力學(xué)特性，并取得相關(guān)的研究成果。例如，由瑞凱等[5]以北盤江特大橋?yàn)檠芯繉ο?，采用有限元軟件建立全橋的結(jié)構(gòu)模型，對三角區(qū)上弦支架施工過程進(jìn)行受力分析，結(jié)果表明上弦支架與一般現(xiàn)澆支架受力差異較大，施工支架設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；宗昕等[6]分析了北盤江特大橋斜腿-梁體匯合處的設(shè)計(jì)思路，提出了結(jié)構(gòu)力線需過度順暢的原則，并采用空間實(shí)體有限元法進(jìn)行了計(jì)算；王洪超[7]研究了矢跨比、剛度比等參數(shù)對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，并明確了相關(guān)參數(shù)合理的取值范圍；閆小翠等[8]通過建立龍峽谷大橋的有限元模型，分析了上部結(jié)構(gòu)懸臂澆筑施工過程中臨時(shí)扣索和支架的力學(xué)響應(yīng)。

除上述研究外，一些學(xué)者針對梁拱組合剛構(gòu)橋施工工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換多等難點(diǎn)，著重對該橋梁開展了模型試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測等方面的研究。張科峰[9]針對連續(xù)梁拱組合剛構(gòu)橋在施工過程中的受力性能開展了實(shí)橋測試，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)系梁、拱肋和橫梁等構(gòu)件在橋梁施工過程中均處于受壓狀態(tài)，實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果吻合良好；姜軍等[10]對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋組合橋梁模型進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了梁拱墩結(jié)合塊的復(fù)雜受力情況，得出了頂?shù)装濉⒏拱?、拱腳和墩頂混凝土應(yīng)力分布的規(guī)律；代周超等[11]針對馬蹄河特大橋第一節(jié)段無法采用常規(guī)落地支架進(jìn)行現(xiàn)澆施工的難點(diǎn)，分析了施工過程中所采用“簡易斜拉橋”施工工藝的關(guān)鍵控制技術(shù)；陳強(qiáng)等[12]利用Midas/Civil軟件建立了夜郎湖大橋的空間分析模型，計(jì)算出了理想結(jié)構(gòu)參數(shù)并指導(dǎo)全橋施工，在施工過程中，監(jiān)測拱圈線形及應(yīng)力、臨時(shí)索索力和索塔的偏位，并與理論計(jì)算進(jìn)行對比分析并修正，使得理論計(jì)算與實(shí)際施工狀態(tài)統(tǒng)一。

筆者以重慶市快速路二橫線西段項(xiàng)目禮嘉嘉陵江特大橋?yàn)檠芯繉ο?，利用Midas/Fea軟件建立了空間有限元模型，通過對4種工況在有無支撐體系時(shí)的下弦拱梁力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行對比分析；基于施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了下弦拱梁力學(xué)狀態(tài)施工變化規(guī)律和支撐體系主動頂升作用狀態(tài)下的拱梁力學(xué)傳遞規(guī)律。

1 工程概況和設(shè)計(jì)要求

1.1 工程概況

禮嘉嘉陵江大橋是重慶快速路二橫線西段項(xiàng)目的控制性工程，主橋全長785 m，采用5跨連續(xù)布置(140+245+190+130+80)m，最大跨徑245 m(矢跨比為1/7.7)；大橋按雙向8車道設(shè)計(jì)，分左右兩幅設(shè)置，單幅標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?8 m。該橋?yàn)閲鴥?nèi)首座上承式梁拱組合剛構(gòu)橋，采用對下部結(jié)構(gòu)無推力、自平衡的梁—拱組合受力體系，充分融合了拱橋和梁橋的優(yōu)點(diǎn)，避免了連續(xù)剛構(gòu)橋的開裂下?lián)蠁栴}，如圖1。

圖1 禮嘉大橋橋型布置示意Fig. 1 Schematic diagram of bridge type layout of Lijia Bridge

大橋建設(shè)過程中需經(jīng)歷梁橋、懸澆拱橋、矮塔斜拉橋等多次體系轉(zhuǎn)換；梁拱組合三角區(qū)上弦箱梁和下弦拱梁需同步采用斜拉扣掛法，施工過程對中線形控制精度要求極高，該工藝是行業(yè)內(nèi)首次采用，尚無成功的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

1.2 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)《禮嘉嘉陵江大橋工程第1分冊總體設(shè)計(jì)及橋梁附屬設(shè)施施工圖設(shè)計(jì)說明》，梁拱組合三角區(qū)長61 m、高度31.5 m，由上弦箱梁與下弦拱梁組合交匯形成(交匯處夾角約14°)，如圖2。

圖2 梁拱組合三角區(qū)尺寸Fig. 2 Dimensions of triangular area of beam andarch combination

三角區(qū)下弦拱梁底緣線按2.2次拋物線規(guī)律變化，其變化方程為y=-0.000 692 4(119-x)2.2+25.5，坐標(biāo)原點(diǎn)為下弦底緣線延伸線與橋墩邊緣的交點(diǎn)；沿橋梁軸線方向共25個節(jié)段，其中0 #節(jié)段采用墩旁托架與橋墩同時(shí)澆筑，其余梁段采用掛籃懸臂澆筑施工工藝。上弦箱梁沿橋梁軸線方向共25個節(jié)段，其中0 #節(jié)段長度12 m(包括墩兩側(cè)各外伸2.5 m)，與橋墩固結(jié)；0 #節(jié)段采用墩旁托架施工工藝與橋墩同時(shí)澆筑，1 #～12 #節(jié)段長度在4.5～5.0 m范圍，采用掛籃懸臂澆筑施工工藝。

1.3 施工工藝

三角區(qū)上弦箱梁與下弦拱梁均需要采用掛籃懸澆澆筑，掛籃選型為菱形掛籃。下弦拱梁在2 #～12 #節(jié)段設(shè)置錨固于拱梁頂板的臨時(shí)扣索，以改善下弦拱梁受力狀態(tài)；上弦箱梁與下弦拱梁在第13#節(jié)段進(jìn)行交匯。施工過程中，上弦箱梁采用菱形掛籃懸澆施工，下弦拱梁選擇“倒三角”掛籃進(jìn)行懸澆施工，如圖3。

圖3 下弦拱梁倒三角掛籃施工示意Fig. 3 Schematic diagram of construction of inverted triangle hanging basket of lower chord arch beam

2 有限元數(shù)值分析

2.1 有限元模型建立

筆者采用有限元軟件MIDAS-FEA建立禮嘉嘉陵江大橋三維模型，如圖4。模型中采用四面體網(wǎng)格劃分橋墩及梁體，模型邊界條件在墩底固結(jié)，對稱面采用對稱邊界約束。

圖4 三維計(jì)算模型Fig. 4 Three-dimensional computing model

2.2 計(jì)算工況

筆者通過建立4種計(jì)算工況，對有無主動支撐體系時(shí)的下箱梁受力狀態(tài)進(jìn)行分析，各計(jì)算工況如表1；掛籃各支點(diǎn)支反力如表2。計(jì)算中需要考慮箱梁、墩柱自重等荷載；墩頂恒載2 832 kN，單只掛籃質(zhì)量880 kN，對拉預(yù)緊力600 kN(主墩兩側(cè)三角托架采用精軋螺紋鋼進(jìn)行對拉預(yù)緊)，主動支撐體系千斤頂頂升力600 kN。

表1 計(jì)算工況Table 1 Working condition of calculation

表2 掛籃各支點(diǎn)支反力Table 2 Support and reaction force of hanging basket kN

3 無支撐體系時(shí)受力狀態(tài)

3.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5為無支撐體系時(shí)下弦拱梁主拉應(yīng)力分布。由圖5可知：當(dāng)掛籃處于空載狀態(tài)時(shí)(工況1)，下弦拱梁呈頂板受拉、底板受壓的工作狀態(tài)，墩拱結(jié)合部位最大拉應(yīng)力約為1.18 MPa，小于C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；當(dāng)掛籃懸臂澆筑2#節(jié)段混凝土?xí)r(工況2)，墩拱結(jié)合部位最大拉應(yīng)力增大至2.8 MPa，超出C60混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度(1.96 MPa)的43%，若不采取措施則存在拉裂的風(fēng)險(xiǎn)；腹板部位主拉應(yīng)力達(dá)到5.9 MPa，遠(yuǎn)超C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，這是因?yàn)楦拱蹇拷^桿組集中荷載施加部位引起應(yīng)力集中所致，施工預(yù)壓階段應(yīng)密切關(guān)注該部位的受力情況。

圖5 下弦拱梁主拉應(yīng)力分布Fig. 5 Distribution of main tensile stress of lower chord arch beam

圖6為無支撐體系時(shí)下弦拱梁主拉應(yīng)力超過1.96 MPa時(shí)的分布。圖6中：拉應(yīng)力超出C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的區(qū)域主要集中于腹板中下部和墩拱結(jié)合部位的端部。工況2較工況1拉裂區(qū)域范圍有大幅擴(kuò)大，施工中應(yīng)密切關(guān)注超出部位的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

圖6 下弦拱梁主拉應(yīng)力超過1.96 MPa分布Fig. 6 Distribution of main tensile stress of lower chord arch beam exceeding 1.96 MPa

下弦拱梁2 #～11 #節(jié)段均需要在頂板錨固設(shè)置臨時(shí)扣索，若掛籃錨桿組錨固于拱梁頂板，錨桿組向下的錨固力與臨時(shí)扣索向上的預(yù)拉力將會引起腹板部位出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致腹板開裂。為避免上述不利影響，后續(xù)施工過程中應(yīng)將倒三角掛籃錨桿組錨固點(diǎn)調(diào)整至下弦拱梁頂板的位置。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果

下弦拱梁受力體系復(fù)雜且敏感，為監(jiān)測大橋應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律，筆者在下弦拱梁典型斷面上布設(shè)了監(jiān)測元件，如圖7。施工中定期收集應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，以掌握應(yīng)力變化規(guī)律。

圖7 下弦拱梁應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置示意Fig. 7 Layout of stress monitoring points of lower chord arch beam

圖8為墩拱結(jié)合斷面頂板拉應(yīng)力、底板壓應(yīng)力(以正值表示)隨施工過程變化的情況。由圖8可知：1#節(jié)段荷載均由三角托架承擔(dān)，箱梁頂、底板應(yīng)力均接近0；托架拆除后頂板拉應(yīng)力和底板壓應(yīng)力分別增大至0.45、0.22 MPa；掛籃安裝完成后，頂板拉應(yīng)力和底板壓應(yīng)力增大至0.81、0.68 MPa。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：下弦拱梁受力情況與施工狀態(tài)密切相關(guān)；當(dāng)托架拆除、掛籃安裝階段時(shí)，弦拱梁頂和底板應(yīng)力均有較大增長。

圖8 頂?shù)装鍛?yīng)力變化曲線Fig. 8 Stress variation curve of roof and floor

圖9是計(jì)算結(jié)果和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的對比。由圖9可知：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)可推斷：拆除托架導(dǎo)致與原設(shè)計(jì)工況有較大區(qū)別，會引起箱梁頂板較大的拉應(yīng)力。施工過程中需要采取主動牽引或主動頂升等措施來抵消因拆除托架所引起的應(yīng)力增量，增大拱梁頂板拉應(yīng)力儲備，避免拱梁頂板開裂。

圖9 數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析Fig. 9 Comparative analysis of numerical results and monitoring data

4 施加主動支撐體系時(shí)受力狀態(tài)

4.1 主動支撐體系設(shè)置

為限制拱梁最大主拉應(yīng)力在C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，避免箱梁表面出現(xiàn)拉裂，施工過程中擬采用兩種主動支撐方案：① 在拱梁頂板設(shè)置臨時(shí)扣索進(jìn)行主動牽引；② 在既有三角托架上搭設(shè)支撐體系主動頂推。

4.1.1 頂板施加臨時(shí)扣索

圖10為頂板臨時(shí)扣索主動牽引方案。該方案需在已澆筑1#節(jié)段頂板和墩柱部位設(shè)置臨時(shí)扣索錨固點(diǎn)，通過張拉臨時(shí)扣索對拱梁產(chǎn)生向上的主動牽引，用于抵消拱梁根部拉應(yīng)力，改善拱梁根部受力狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)場條件，橋梁主墩和拱梁頂板并未預(yù)埋張拉鐵件和預(yù)留孔洞；此外，由于掛籃錨桿組設(shè)置于拱梁底板，這會導(dǎo)致拱梁腹板拉應(yīng)力過于集中，因而施工過程中采取該方案實(shí)施難度較大。

圖10 臨時(shí)扣索主動牽引示意Fig. 10 Schematic diagram of temporary cable active traction

4.1.2 三角托架上搭設(shè)支撐體系主動頂推

該方案是在已澆筑段1 #節(jié)段向2 #節(jié)段方向的下緣附近，通過在既有三角托架上搭設(shè)鋼管支撐架，支撐體系與三角托架支架連接部位采用千斤頂主動頂升，對1 #節(jié)段施加向上荷載，解決下弦拱梁端部拉應(yīng)力過大的情況，2 #節(jié)段在施工完成后拆除主動頂升系統(tǒng)。

圖11為下弦拱梁主動支撐體系示意。施工過程為：在下弦梁0 #節(jié)段的三角托架上安裝三拼I56b工字鋼→Φ(400×10)mm鋼管支柱搭設(shè)→鋼管底部千斤頂及限位裝置安裝→Φ(400×10)mm鋼管支柱頂部安裝雙拼H500×300型鋼→鋼管支撐上部梁底接觸點(diǎn)布設(shè)楔形塊→Φ(400×10)mm鋼管支柱斜撐連接系I25工字鋼安裝→Φ(400×10)mm鋼管支柱斜撐[25雙拼槽鋼安裝→下弦梁1#節(jié)段鋼管輔助支撐架驗(yàn)收→鋼管輔助支撐架加載主頂力。

圖11 下弦梁鋼立柱支撐Fig. 11 Steel column support of lower chord beam

支撐體系完工后在豎向鋼管和橫向工字鋼分配梁之間采用千斤頂進(jìn)行主動頂升，每根鋼管柱下方設(shè)置2個千斤頂，每臺千斤頂主動定推力為600 kN。施工步驟為：安裝主動支撐體系(工況1)→施加千斤頂主動頂升力(工況3)→掛籃預(yù)壓消除彈性變形(預(yù)壓荷載取為2 #節(jié)段施工荷載的110%，對應(yīng)工況4)→掛籃懸臂澆筑施工。

4.2 支撐體系主動頂升數(shù)值計(jì)算

圖12為支撐體系施工主動頂升力后下弦拱梁應(yīng)力分布。由圖12可看出：施加主動頂升力后下弦拱梁根部拉應(yīng)力降低至0.26 MPa，有較大程度降低在施工2 #節(jié)段時(shí)，根部和腹板部位拉應(yīng)力有較大程度增長，其中根部最大主拉應(yīng)力增大至2.15 MPa。

圖12 施加主動支撐應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig. 12 Calculation results of applying active support stress

由圖12與圖6對比可看出：施加主動力后1#節(jié)段塑性區(qū)較無主動力工況有較大程度減小，支撐體系施加主動頂升力對橋梁受力體系有較大程度改善。

4.3 支撐體系主動頂升監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.3.1 監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

在原有監(jiān)測體系基礎(chǔ)上，在拱梁腹板部位表貼應(yīng)變片監(jiān)測混凝土拉應(yīng)力，在鋼管支持體系鋼管表面布設(shè)表貼式智能鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測支撐系統(tǒng)應(yīng)力(在支撐系統(tǒng)中每根Φ(400×10)mm鋼管底部、選取兩根托架縱梁前端的腹板處設(shè)置測點(diǎn))，利用萊卡TS09全站儀監(jiān)測三角托架豎向位移變化。具體測點(diǎn)布置如圖13，所采用監(jiān)測元件如表3。

圖13 監(jiān)測點(diǎn)位布置Fig. 13 Layout of monitoring points

表3 監(jiān)測儀器情況Table 3 Monitoring instrument condition

4.3.2 主動頂升后下弦拱梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

表4和圖14反應(yīng)了監(jiān)測數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律。

表4 墩拱結(jié)合部位頂板軸向拉應(yīng)力Table 4 Axial tensile stress of roof at pier and arch joint MPa

圖14 墩拱結(jié)合部位頂板軸向拉應(yīng)力變化Fig. 14 Variation of axial tensile stress of roof at pier andarch joint

由圖14可看出：在千斤頂主動頂升后拱梁軸向拉應(yīng)力由0.87 MPa降低至0.36 MPa，支撐體系頂升較大程度降低了拉應(yīng)力數(shù)值。隨著掛籃堆載預(yù)壓，拱梁根部軸向拉應(yīng)力呈線型增長態(tài)勢，最大拉應(yīng)力增大至0.96 MPa，應(yīng)力增長率為166.6%。

腹板采用表貼式應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，因應(yīng)變片有效監(jiān)測周期較短，筆者僅對掛籃堆載預(yù)壓階段應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測，如表5和圖15。

表5 拱梁端部腹板主拉應(yīng)力Table 5 Main tensile stress of web at end of arch beam MPa

圖15 拱梁端部腹板主拉應(yīng)力變化Fig. 15 Variation of main tensile stress of web at end of arch beam

由圖15可看出：腹板應(yīng)力變化與掛籃堆載預(yù)壓呈線性相關(guān)，掛籃預(yù)壓完成后腹板拉應(yīng)力增大至2.72 MPa，應(yīng)力增長率為353.3%。

表6、表7分別為支撐體系頂升和掛籃堆載預(yù)壓階段支撐體系鋼管應(yīng)力與托架位移監(jiān)測數(shù)據(jù)；圖16為支撐體系應(yīng)力與位移隨施工過程變化曲線。由圖16可看出：千斤頂主動頂升階段支撐體系(鋼管、托架)應(yīng)力與位移均隨著頂升呈線性變化規(guī)律；頂升完成后鋼管軸向應(yīng)力約為98 MPa，托架剪應(yīng)力約為89 MPa，托架最大沉降量約6 mm。

表6 支撐體系鋼管應(yīng)力Table 6 Steel tube stress of support system MPa

表7 支撐體系三角托架位移Table 7 Displacement of triangular bracket of support system m

圖16 支撐體系應(yīng)力與位移隨施工過程變化曲線Fig. 16 Variation curve of stress and displacement of the supportsystem changing with construction process

掛籃堆載預(yù)壓階段，支撐體系應(yīng)力與位移變化均不顯著，預(yù)壓完成后鋼管應(yīng)力增長量約6 MPa(增長率6.1%)，托架剪應(yīng)力增長量約4 MPa(增長率4.5%)，托架位移增長量約1 mm(增長率16.7%)，遠(yuǎn)小于掛籃堆載預(yù)壓階段拱梁應(yīng)力增長率。由此可知：因下弦拱梁剛度要顯著大于支撐體系，掛籃堆載預(yù)壓階段荷載主要由下弦拱梁自身承擔(dān)，支撐體系應(yīng)力及變形增長量較小。

5 結(jié) 論

1)在不采取支撐體系情況下，墩拱結(jié)合墩拱結(jié)合部位最大主拉應(yīng)力達(dá)2.8 MPa，超出C60混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度(1.96 MPa)的43%；需在1 #節(jié)段施加向上的主動力減小拱梁頂板拉應(yīng)力，避免2 #節(jié)段施工時(shí)導(dǎo)致墩拱結(jié)合部位混凝土拉裂。

2)下弦拱梁2 #～11 #節(jié)段均需在頂板設(shè)置臨時(shí)扣索錨固點(diǎn)，為避免掛籃錨桿組底板錨固力與臨時(shí)扣索頂板主動牽引力兩個作用力相反的荷載引起腹板拉應(yīng)力過大，在后續(xù)施工過程應(yīng)倒三角掛籃錨桿組錨固點(diǎn)設(shè)置于下弦拱梁頂板部位。

3)支撐體系主動頂升后，下弦拱梁根部拉應(yīng)力由1.18 MPa降低至0.26 MPa，施加主動力后拱梁拉裂區(qū)域較無支撐體系有較大程度減小，支撐體系施加主動頂升力對橋梁受力體系有較大程度改善。

4)主動頂升階段支撐體系(鋼管、托架)應(yīng)力與位移均隨著頂升呈線性變化規(guī)律；頂升完成后鋼管軸向應(yīng)力約為98 MPa，托架剪應(yīng)力約為89 MPa，托架最大沉降量約6 mm。掛籃堆載預(yù)壓階段，應(yīng)力及位移無明顯增長，增長率遠(yuǎn)小于拱梁應(yīng)力。因下弦拱梁剛度要顯著大于支撐體系，掛籃堆載預(yù)壓階段荷載主要由下弦拱梁自身承擔(dān)。

5)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：采用支撐體系主動頂升后墩拱結(jié)合部位軸向拉應(yīng)力小于理論計(jì)算值；現(xiàn)場無裂縫產(chǎn)生；支撐系統(tǒng)強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求；采用支撐體系主動頂推方式有效解決墩拱結(jié)合部位主拉應(yīng)力過大的問題。