大跨度連續(xù)梁-拱組合體系橋梁施工過程靜力性能研究

嚴來章，馬樂樂，劉宗族

（中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011）

0 前言

近年來，隨著我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，對鐵路沿線的橋梁建設需求也日益增加。連續(xù)梁拱體系組合梁橋作為連續(xù)梁和拱相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，兼具連續(xù)梁橋和拱橋的特點，使拱肋與主梁在結(jié)構(gòu)受力方面的優(yōu)勢得到充分施展[1]。從結(jié)構(gòu)受力性能方面分析，在荷載和自重作用下，結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力大部分都能轉(zhuǎn)換成梁、拱自平衡體系的相互作用力。拱的水平推力與梁的軸向拉力相互作用，拱肋與主梁截面的總彎矩主要表現(xiàn)為“拱受壓、梁受拉”的形式；剪力則主要成為拱肋壓力的豎向分力[2～3]。由于結(jié)構(gòu)受力性能良好、整體剛度大以及造型美觀等特點，梁-拱組合體系橋在鐵路橋梁建設中得到了廣泛應用。為了對大跨度梁-拱組合體系橋梁在施工過程中的受力性能進行研究，本文以邳州跨京杭大運河特大橋1m～168m 下承式系桿拱橋為背景，計算各主要施工階段中拱肋、主梁等關鍵構(gòu)件的應力分布情況，并對主要承重構(gòu)件在不同施工階段的受力性能進行研究，為同類型橋梁的安全施工及質(zhì)量控制提供依據(jù)及參考。

1 工程概況

邳州跨京杭大運河特大橋1m～168m 系桿拱橋為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，連續(xù)梁部分全長337.3m（含兩側(cè)梁端至邊支座中心線各0.75m），跨徑布置為83.9+168+83.9m，計算跨徑為168m，矢跨比f/L=1/5，拱肋平面內(nèi)矢高33.6m，拱曲線為懸鏈線線型。拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度3m，沿程等高布置。兩拱肋之間共設9 道鋼結(jié)構(gòu)橫撐，橫撐均采用空間桁架撐。主梁為預應力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱雙室變高度箱型截面，跨中及邊支點處最低點梁高4.2m，中支點處最低點梁高為9.5m，梁底圓曲線變化，防護墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0m，橋梁全寬14.2m，中支點處（拱腳處）局部加寬為16.3m。吊桿順橋向間距9m，全橋共設16 組雙吊桿，吊桿采用LZM(K)7-Ⅰ型吊桿系統(tǒng)，吊桿索體采用PES(FD)低應力防腐索體，跨京杭大運河橋梁連續(xù)梁拱縱斷面圖如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置圖（單位：cm）

2 施工階段模擬

2.1 有限元模型建立

依據(jù)橋梁設計資料，利用MIDAS/Civil 軟件建立該橋的空間有限元模型。拱肋、系梁等構(gòu)件均采用線彈性梁單元進行模擬，吊桿采用只承受拉力的桁架單元進行模擬。主梁截面的普通鋼筋及預應力鋼筋按照設計資料進行輸入。對于鋼管混凝土拱肋，本文采用鋼管梁單元和灌漿混凝土梁單元共單元方式模擬。在進行邊界條件設置時，吊桿與拱肋采用共節(jié)點方式連接，吊桿與主系梁之間進行剛性連接，系梁在拱腳處按剛性連接進行考慮。為了考慮施工過程中邊跨滿堂支架與梁的相互作用，支架與梁采用彈性連接中的僅受壓連接。全橋共劃分1172 個單元，包括1108 個線彈性梁單元以及64 個桁架單元，建立的主橋有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型

2.2 施工階段劃分

該橋采用“先梁后拱”的原則進行施工。系梁采用懸臂澆筑法施工，拱肋采用汽車吊進行節(jié)段拼裝施工。拱肋內(nèi)混凝土采用混凝土輸送泵，分別從4 個拱腳同時由拱腳向拱頂壓送，待混凝土達到強度后安裝吊桿并張拉，完成梁體體系轉(zhuǎn)換。根據(jù)系桿拱橋的施工特點，在進行有限元模擬時，將全橋施工過程共劃分70 個施工階段。為了對主梁及拱肋在施工過程中的受力性能進行重點研究，本文選擇對6 個主要施工階段的截面應力進行分析。其中，連續(xù)梁部分的受力性能分析選擇了6 個施工工況，分別包括中跨合攏澆筑、中跨合攏段預應力張拉、拱肋安裝、灌注拱肋混凝土、吊桿安裝以及二期恒載施工完成階段。拱肋受力性能分析則選擇主梁分析工況中的后5 個施工階段進行重點研究，本文選擇的主要施工階段分別如表1所示。

主要施工工況及順序 表1

3 主橋施工階段受力性能分析

結(jié)合邳州跨京杭大運河特大橋空間有限元模型，通過MIDAS 軟件對主橋在中跨合攏澆筑、中跨合攏段預應力張拉、拱肋安裝、拱肋混凝土灌注、吊桿張拉以及二期鋪裝完成等六個主要施工階段的應力水平進行分析，主橋整體應力分布結(jié)果分別如圖3（a）～（f）所示。通過圖3 可以發(fā)現(xiàn)，主梁、拱肋在不同施工階段的應力狀態(tài)持續(xù)發(fā)生變化，因此，對大跨度梁拱組合體系進行施工階段應力分析是保障該類橋梁施工質(zhì)量的一項重要措施。

圖3 主梁截面應力分布示意圖（單位：MPa）

3.1 主梁受力性能分析

對于大跨度梁拱組合體系橋梁，主梁主要承受橋面活載以及拱肋的拉軸向拉力，其成橋線形及受力狀態(tài)直接影響到該類橋梁的安全運行，因此，對主梁在施工過程中的應力進行監(jiān)測就顯得十分必要[4～5]。通過章節(jié)2 中建立的空間有限元模型，并對主梁L/4、L/2 以及3L/4處截面，在上述6 個主要施工節(jié)段的應力狀態(tài)進行計算，結(jié)果如表2 所示。通過表2可以發(fā)現(xiàn)，主梁在6個主要施工階段中，均表現(xiàn)為全截面受壓狀態(tài)，符合設計要求。通過對比三個關鍵截面的應力狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在二期鋪裝完成前，中跨主梁L/2 截面應力最小，在L/4 和3L/4 處截面應力較大，最大壓應力出現(xiàn)在中跨合攏澆筑階段，應力值為-5.76MPa。當二期鋪裝完成階段，由于鋪裝荷載的影響，跨中截面出現(xiàn)最大壓應力，應力值為-8.65MPa。通過上述分析可知，在該橋的整個施工過程模擬中，主梁始終以全截面受壓為主，且最大壓應力均小于C55 混凝土的容許應力值[σc] =-14.8MPa，滿足設計要求。

主要施工階段系梁L/4、L/2以及3L/4處截面應力（MPa） 表2

3.2 拱肋受力性能分析

拱肋作為大跨度梁拱組合體系橋梁的重要承重構(gòu)件，對其關鍵截面進行施工過程應力控制是確保主橋施工質(zhì)量的前提[5]。因此，基于該橋的施工特點，本文選擇對4 個主要施工階段拱肋的應力狀態(tài)進行分析，選擇的施工工況分別為拱肋安裝工況、灌注拱肋混凝土工況、吊桿張拉工況以及二期鋪裝等4 個施工工況。分別選取拱腳、拱肋L/4 和3L/4 處以及拱頂處截面作為拱肋的關鍵受力截面，利用有限元模型對關鍵截面處的受力狀態(tài)模擬，計算結(jié)果如表3 所示。通過表3 的計算結(jié)果可知，在鋼管混凝土灌注完成之后，拱肋在混凝土自重的影響下，截面壓應力顯著增高，最大壓應力出現(xiàn)在拱腳處，應力值為-44.4MPa；在吊桿張拉力的影響下，拱肋截面的應力進一步增加，拱腳處最大壓應力為-47.6MPa；當二期鋪裝完成之后，拱腳壓應力達到最大，最大壓應力值為-57.8MPa，小于Q345qD 鋼材的容許應力值[σ]=200MPa。綜上所述，在主橋的施工過程中，拱肋的截面壓應力均小于截面的允許應力值，符合設計要求，其中，由于拱腳處截面構(gòu)造較為復雜，且承受來自拱肋及吊桿傳遞的壓應力。因此，對拱腳截面的應力監(jiān)測應成為大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁施工控制的一項重要內(nèi)容[6]。

主要施工階段拱肋L/4、L/2以及3L/4處及拱腳截面應力（MPa） 表3

3.3 吊桿索力分析

在大跨度梁拱組合體系橋梁施工過程中，吊桿內(nèi)力的變化對主梁和拱肋的應力分布有著顯著影響，在施工過程中，吊桿內(nèi)力的變化對系梁和拱肋受力狀態(tài)有著顯著影響，不同的吊桿索力組合可同時引起主梁和拱肋的內(nèi)力重分布，從而導致主橋的實際成橋狀態(tài)與設計不符[7～8]，因此，吊桿張拉工況為該類橋梁施工的關鍵階段。在吊桿張拉前，應以吊桿索力設計值為目標索力，利用有限元模型對主橋施工過程進行正裝迭代，待模型最終計算的成橋索力值與設計索力值誤差控制在5%以內(nèi)時，將該施工階段模型的吊桿索力初張拉值用于實際橋梁施工過程中吊桿索力張拉值，計算的吊桿索力值如圖4所示。全橋共設置16對吊桿，其中，吊桿編號S1～S16依次為小里程樁號至大里程樁號的吊桿。由圖4可知，主跨跨中的吊桿初張力值最大，張拉值為1025.3kN，從跨中到拱腳處，索力值均勻降低，最小吊桿索力張拉值為764.0kN。在二期鋪裝完成之后，通過有限元模型計算的吊桿索力值如圖5 所示。通過圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在二期恒載作用下，跨中部分吊桿索力分布比較均勻，最大索力為1050.0kN，而拱腳處索力值變化較小，成橋索力值為780kN。在二期恒載作用下，主梁跨中豎向撓度最大，主梁撓度值從主梁跨中向拱腳處逐漸降低，導致吊桿索力發(fā)生重分布，因此，可知合理的吊桿初拉力設置對于拱橋成橋狀態(tài)下的受力性能有著重要影響，避免在施工過程中出現(xiàn)應力過大的問題[5]。

圖4 吊桿初張拉索力值

圖5 二期鋪裝完成階段吊桿索力值

吊桿計算值與設計值對比 表4

4 結(jié)論

①在主橋施工過程模擬中，混凝土主梁在六種主要施工工況作用下，均以全截面受壓為主，主梁跨中截面最不利應力分布發(fā)生在二期鋪裝完成之后，最大應力值為-8.65MPa，小于主梁混凝土截面的容許應力值-14.8MPa，滿足設計要求。

②拱肋在施工過程中的最大應力均發(fā)生在拱腳處，在二期鋪裝完成之后，拱腳截面出現(xiàn)最大應力，應力值為-57.8MPa，小于鋼管拱肋截面允許應力值，符合設計要求。由于拱腳截面的復雜構(gòu)造，對拱腳截面的應力監(jiān)測應成為大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁施工控制的一項重要內(nèi)容。

③吊桿內(nèi)力的變化對主梁和拱肋的應力分布有著顯著影響，因此，在主橋施工過程模擬中，以吊桿索力設計值為目標索力，利用有限元模型對主橋施工過程進行正裝迭代，待模型計算的成橋索力與設計索力值誤差控制在5%以內(nèi)時，可利用此時模型的吊桿初張拉力值指導實際吊桿張拉。