大跨徑鋼混組合骨架轉(zhuǎn)體橋合龍受力變形模擬分析

劉向開，白雪（.九江市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江西 九江 33000；.上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海0003）

0 引 言

我國的轉(zhuǎn)體工藝?yán)碚撗芯渴加?0世紀(jì)70年代，并于四川省第一次采用平轉(zhuǎn)施工法來進(jìn)行橋梁施工[1]。隨著新興的建筑和工程技術(shù)不斷涌現(xiàn)，吊裝和旋轉(zhuǎn)設(shè)備的性能和效率不斷提高，轉(zhuǎn)體施工工藝更加可行。同時(shí)，國內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（如橋梁、隧道、水庫和建筑物等）的需求不斷增加，轉(zhuǎn)體施工工藝能夠提高施工速度和效率，滿足了這些需求。與傳統(tǒng)的施工方法相比，轉(zhuǎn)體施工工藝通?？梢詼p少對(duì)環(huán)境的不良影響，例如減少土地破壞和噪聲污染。轉(zhuǎn)體施工工藝還因其能夠在施工過程中保持原有交通狀態(tài)，并具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛采用[2-4]。近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及交通網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，轉(zhuǎn)體施工工藝已成為修建跨越鐵路、公路等橋梁的重要施工方法之一。在我國，運(yùn)用轉(zhuǎn)體施工方法修建的橋梁數(shù)量已超過200座。其中，湖北省恩施土家族苗族自治州鶴峰縣的南渡江轉(zhuǎn)體拱橋是采用混凝土球鉸轉(zhuǎn)體橋中跨徑最大的一座[5]。

相關(guān)學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)體施工工藝做了諸多研究：Liu等[6]研究了轉(zhuǎn)體橋的整個(gè)施工過程，并提出了轉(zhuǎn)體橋梁施工中心承重的安全控制理念；范劍鋒等[7]提出了基于非赫茲接觸應(yīng)力的轉(zhuǎn)體球鉸受力分析方法，顯著提高了球鉸接觸應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性；車曉軍等[8]基于球鉸應(yīng)力差，對(duì)轉(zhuǎn)體橋的不平衡力矩進(jìn)行了準(zhǔn)確的計(jì)算；蔣濤應(yīng)等[9]也對(duì)轉(zhuǎn)體橋球鉸的傾覆力矩及摩擦系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化，先采用稱重試驗(yàn)獲得豎向摩阻力矩，再通過計(jì)算豎向摩阻力矩求解摩擦系數(shù)，大大提高了計(jì)算精度；張景輝[10]對(duì)轉(zhuǎn)體橋合龍段混凝土縱向開裂控制進(jìn)行研究，提出提前灑水潤濕合龍段兩側(cè)老混凝土等方法，以降低合龍段新澆筑混凝土的早期收縮應(yīng)力，防止合龍段混凝土縱向開裂。以上文獻(xiàn)都研究了轉(zhuǎn)體施工過程中的各個(gè)關(guān)鍵階段，但是橋梁合龍之后的受力分析鮮有涉及。主跨合龍后橋梁受力狀態(tài)的改變，對(duì)于橋梁的施工安全同樣重要。通過有限元數(shù)值模擬軟件Midas/Civil，即可實(shí)現(xiàn)合龍后橋梁受力狀態(tài)的模擬計(jì)算，為橋梁的施工安全提供有力的數(shù)據(jù)支持。本文以湖北省恩施土家族苗族自治州鶴峰縣的南渡江轉(zhuǎn)體拱橋?yàn)槔ㄟ^Midas/Civil軟件對(duì)大跨度鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)橋的轉(zhuǎn)體橋合龍受力變形進(jìn)行研究，為確保橋梁施工的安全提供參考。

1 工程概況

橋梁為半跨鋼筋混凝土箱拱橋，混凝土樓板為剛性骨架?？傞L度為272.26 m，其中主橋的凈跨度為190 m，凈矢跨比和凈跨距分別是1/5和38 m，拱軸系數(shù)m＝1.998。該鋼筋混凝土箱式拱橋主要由主拱環(huán)和拱體2個(gè)部分組成。轉(zhuǎn)動(dòng)體系骨架采用了小直徑鋼管混凝土和混凝土底板，底部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)寬7.5 m、厚15 cm的鋼筋混凝土底板，底板混凝土等級(jí)為C45。南渡江轉(zhuǎn)體拱橋立面布置圖，如圖1所示。

圖1 南渡江轉(zhuǎn)體拱橋立面布置圖

施工過程包括6個(gè)工序。

（1）工序1：首先是主拱基坑挖掘施工，然后依次進(jìn)行其他部位的混凝土澆筑。根據(jù)地形進(jìn)行土牛拱胎的挖掘，用于支撐河兩岸的轉(zhuǎn)動(dòng)體系，并設(shè)置簡單的支撐結(jié)構(gòu)；接著，將預(yù)制并焊接好的勁性骨架截段運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝，以搭建完整的半跨拱骨架系統(tǒng)。

（2）工序2：本階段先安裝拉索和背索絞線，然后依次交替拉伸拉索和背索的鋼索。張緊順序按照旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中拉索、背索張緊順序表進(jìn)行，張緊順序采用邊—中—邊順序。將車架拉緊后，形成旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，用千斤頂驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)體到位。

（3）工序3：在這個(gè)步驟中，旋轉(zhuǎn)到位進(jìn)行臨時(shí)鎖定，隨后進(jìn)行密封混凝土的澆筑。在上部板回填完成后，會(huì)超挖一部分混凝土，然后進(jìn)行弦鋼管和連接段的支撐桿焊接，接下來進(jìn)行拱頂?shù)装褰涌p混凝土的澆筑，最后完成合并拱的過程。

（4）工序4：先簡支拱環(huán)，再分段均勻?qū)ΨQ澆筑左右兩邊的上鋼管混凝土；接下來，將下側(cè)墻、上側(cè)墻、2樓、屋頂和梁混凝土均勻地分段澆筑，每段長度約為15 cm；最后形成設(shè)計(jì)截面的箱拱環(huán)，拆除扣環(huán)和背纜。

（5）工序5：完成拱環(huán)的支撐，依次進(jìn)行左右半拱對(duì)稱澆筑其余的構(gòu)筑物，包括柱、系梁、蓋梁。

（6）工序6：移除導(dǎo)孔和拱門上的簡單支撐；然后將預(yù)制好的小箱梁對(duì)稱吊裝在左右半拱上；吊裝完成后，對(duì)箱梁的濕縫進(jìn)行左右對(duì)稱澆筑；隨后進(jìn)行第2期鋪裝、人行道及配套工程。

本研究主要對(duì)第4步半跨系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對(duì)接完成后拱肋閉合力變形進(jìn)行仿真分析。這一過程對(duì)柱等結(jié)構(gòu)的后續(xù)澆筑有著至關(guān)重要的影響。

2 Midas/Civil軟件模擬方法及結(jié)果

橋梁主跨及背墻采用Midas/Civil軟件進(jìn)行模擬分析，其主拱圈為鋼管結(jié)構(gòu)，采用Beam單元進(jìn)行模擬，轉(zhuǎn)動(dòng)體系到位后，迅速焊接接縫段上弦鋼管及撐桿，以防止溫度變化和風(fēng)荷載導(dǎo)致兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)體系鋼管的錯(cuò)位，并及時(shí)澆筑拱頂?shù)装褰涌p混凝土，合龍成拱（如圖2所示）。轉(zhuǎn)體過程中，連接背墻與主拱圈的鋼管結(jié)構(gòu)為張拉鋼索，在合龍后將拆除，不再承受拉力，主拱圈的重力將完全由拱圈本身承擔(dān)，并傳至拱腳處。

圖2 轉(zhuǎn)體橋合龍示意圖

2.1 合龍后勁性骨架受力分析

拱圈合并后，其剛性骨架的應(yīng)力分布云圖和混凝土底板的應(yīng)力分布云圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 拱圈骨架（鋼拱）應(yīng)力云圖

圖4 拱圈底板（混凝土）應(yīng)力云圖

通過對(duì)圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出：合龍后拱環(huán)剛骨架的最大拉應(yīng)力為48.5 MPa，最大壓應(yīng)力為165 MPa。這些應(yīng)力值小于Q345鋼的屈服強(qiáng)度，因此剛性骨架的強(qiáng)度滿足要求。最大壓應(yīng)力仍然出現(xiàn)在拱腳的上弦位置。值得注意的是，合龍后拱圈加勁骨架的最大拉應(yīng)力與拉伸脫離時(shí)半跨拱圈加勁骨架的最大拉應(yīng)力幾乎沒有差別，兩者相差不大。與半跨拱圈加勁框架的最大壓應(yīng)力161.1 MPa相比，合龍后的壓應(yīng)力僅減少了2.3%。一般而言，合龍后拱圈剛度骨架的應(yīng)力變化較小，這有助于形成一個(gè)整體系統(tǒng)，使其共同承擔(dān)荷載。這種合龍狀態(tài)有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，需要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)的是，雖然拱圈的勁性骨架在合龍后滿足強(qiáng)度要求，但在實(shí)際應(yīng)用中還需要綜合考慮其他因素，如變形、位移等，以確保整體結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

由圖4數(shù)據(jù)分析可知，閉拱混凝土底板大部分截面均承受壓力，最大壓應(yīng)力為2.8 MPa。需要注意的是，混凝土樓蓋拱腳截面受拉應(yīng)力較大，達(dá)2.7 MPa，超過C45抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，因此可能導(dǎo)致裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。與最大壓應(yīng)力2.71 MPa和最大拉應(yīng)力2.8 MPa相比，封閉混凝土底板的應(yīng)力基本沒有變化。這意味著混凝土樓板的應(yīng)力變化較小，有利于形成整體體系，使混凝土樓板共同承擔(dān)荷載。然而，在實(shí)際工程中，盡管混凝土底板的應(yīng)力變化幅度較小，仍需密切關(guān)注可能產(chǎn)生的裂縫問題。為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，可能需要采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，比如增加鋼筋或使用其他增?qiáng)材料，以提高混凝土底板的抗拉強(qiáng)度。

2.2 合龍后拱圈變形分析

合龍后拱圈的變形和拱圈主要截面的豎向位移，如圖5和圖6所示。拱圈的最大位移都發(fā)生在半跨L/2截面（左右兩邊皆是），達(dá)到了117.4 mm，說明左右兩跨風(fēng)險(xiǎn)最大位置為這2個(gè)截面。由于工程實(shí)際中情況復(fù)雜，各種工況的疊加可能超過模擬計(jì)算結(jié)果，所以在有必要的情況下，需要在左右半跨的L/2截面處進(jìn)行加固，以防在拱圈合龍后拱肋出現(xiàn)屈曲破壞現(xiàn)象。

圖5 拱圈變形圖

圖6 拱圈主要截面豎向位移

在拱橋左右兩跨的結(jié)構(gòu)中，3L/8～3L/4截面范圍內(nèi)拱圈位移都較大。拱圈合龍后，這些區(qū)域的變形與合龍前基本沒有發(fā)生太大的變化。盡管如此，在施工過程中仍需對(duì)此節(jié)段給予一定關(guān)注。同時(shí)，由于左右兩跨的3L/8～3L/4截面范圍內(nèi)位移較大，可能需要采取一些額外措施來確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。在施工期間，建議對(duì)該區(qū)域進(jìn)行更加密切的監(jiān)測(cè)和測(cè)量，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應(yīng)的調(diào)整措施。

2.3 合龍段受力分析

合龍段的勁性骨架應(yīng)力分布，如圖7所示；混凝土底板的應(yīng)力分布，如圖8所示。在合龍段的勁性骨架主要承受拉力（最大4.3 MPa，在上平聯(lián)的斜腹桿位置）及部分壓應(yīng)力（最大7.5 MPa）。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在上平聯(lián)的斜腹桿位置。值得注意的是，在合龍段，勁性骨架的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均符合鋼材的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。這表明，勁性骨架的強(qiáng)度具有足夠的承載能力，并滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，合龍后的混凝土底板主要受拉力作用（最大0.63 MPa）。值得一提的是，該拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（C45混凝土），滿足了混凝土底板強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，不存在拉應(yīng)力方面的安全隱患。

圖7 勁性骨架應(yīng)力圖

圖8 拱肋混凝土底板應(yīng)力圖

雖然合龍段的勁性骨架和混凝土底板的應(yīng)力分析結(jié)果都顯示其強(qiáng)度符合要求，但在工程實(shí)踐中，除了強(qiáng)度考慮外，還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的變形、穩(wěn)定性以及耐久性等方面的問題。因此，在工程設(shè)計(jì)和施工過程中，需要進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估，以確保整個(gè)結(jié)構(gòu)在使用過程中安全可靠。此外，如果需要進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的性能，可以考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)或增加適當(dāng)?shù)募庸檀胧?/p>

3 結(jié) 語

本文使用Midas/Civil軟件進(jìn)行模擬分析，研究了轉(zhuǎn)體橋在合龍段拱肋的最大受力位置和極限變形狀態(tài)，并對(duì)轉(zhuǎn)體橋的安全性進(jìn)行了評(píng)估。

（1）拱圈剛性骨架在合龍后無明顯應(yīng)力變化，轉(zhuǎn)體橋河兩邊半跨旋轉(zhuǎn)體系形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，共同承受荷載，有利于橋梁下一步的安全施工。

（2）在合龍后，拱圈的混凝土底板截面出現(xiàn)最大壓應(yīng)力（2.8 MPa），混凝土底板的拱腳截面承受較大的拉應(yīng)力（2.7 MPa），混凝土底板的強(qiáng)度、變形都滿足要求，但是有產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，需要額外關(guān)注。

（3）半跨L/2截面處出現(xiàn)最大位移，該截面為風(fēng)險(xiǎn)最大位置。由于工程實(shí)際中情況復(fù)雜，在有必要的情況下，需要在左右半跨的L/2截面處進(jìn)行加固。

（4）在合龍施工過程中，勁性骨架最大拉應(yīng)力（4.3 MPa）和壓應(yīng)力（7.5 MPa）都小于鋼材的屈服強(qiáng)度，這表明骨架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，合龍段的勁性骨架和混凝土底板的強(qiáng)度、變形都滿足要求，為后續(xù)施工階段的穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

通過Midas/Civil軟件對(duì)合龍階段受力變形進(jìn)行仿真分析，可以更好地了解橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)響應(yīng)，為工程實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí)，本文的研究對(duì)于促進(jìn)橋梁施工監(jiān)測(cè)的模擬計(jì)算、最終確保橋梁施工的安全也具有一定的參考價(jià)值。