特大橋1~140m先拱后梁系桿拱橋施工技術(shù)應(yīng)用效果有限元分析

邊向平

（中鐵十七局集團第一工程有限公司，山東 青島 266555）

0 引言

特大橋泛指多跨徑總長超過1000m 或者單跨徑大于150m 的公路橋梁，并且橋長在500m 以上，由于該類橋梁跨徑較大[1]，因此施工過程中容易發(fā)生變形，影響成橋后的橋梁承載力，降低橋梁使用壽命[2]。因此，為保證該類橋梁的施工效果，需針對工程情況以及使用需求，選擇合理、科學(xué)的施工技術(shù)[3]。系桿拱施工也稱為簡支梁拱組合體系的施工，其整體分為兩種方法[4]，一是先拱后梁，二是先梁后拱。系桿拱施工技術(shù)能夠?qū)㈩A(yù)應(yīng)力施加在系梁內(nèi)，以此完成拱肋推力的抵消[5]，避免橋墩或者橋臺承受推力，降低橋臺位移、拱頂下降以及拱肋開裂等問題的發(fā)生[6]。

本文為研究西苕溪右線特大橋工程系桿拱施工技術(shù)的施工效果，利用MIDAS Civil有限元分析軟件構(gòu)建橋梁有限元模型，開展該橋梁的縱向主梁應(yīng)力-應(yīng)變分布以及整體抗傾覆性能分析，為該類工程施工提供相關(guān)參考。

1 工程概況

新建商合杭鐵路西苕溪右線特大橋跨越長興港1~140m系桿拱，橋址位于浙江省湖州市吳興區(qū)境內(nèi)，地貌單元屬沖湖積平原、低丘及山前坡洪積斜地組成的平原，地形相對平坦。根據(jù)勘探揭露地層為第四系全新統(tǒng)人工填土、第四系全新統(tǒng)沖湖積黏性土、第四系全新統(tǒng)海相沉積軟土、第四系全新統(tǒng)沖海積軟土、第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏性土及碎石類土，下伏基巖為侏羅系上廣德組凝灰?guī)r、閃長玢巖、二疊系長興組、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M灰?guī)r及粉砂巖。

橋梁設(shè)計里程為DK710+139.628~DK710+283.078（梁縫分界線里程），采用先拱后梁的方法施工。河道與線路大里程方向夾角49°。橋梁下部為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、矩形承臺、凸形橋墩。主橋布置一孔140m平行系桿拱橋，梁全長142.6m，計算跨長為140m，矢跨比為f/1=1/5，拱肋平面內(nèi)矢高為28m，拱肋采用拋物線線型，1~140m系桿拱橋型布置圖如圖1所示。

圖1 系桿拱橋型布置圖

YDK710+153.4～YDK710+281范圍內(nèi)為長興港，河道與線路大里程夾角為49°，通航凈寬101.9m，凈高7m，通航水位2.66m，測時水位1.67m。地下水類型為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

2 先拱后梁系桿拱施工方案

本文采用先拱后梁系桿拱施工工藝完成主橋施工，其整體流程如下：

（1）橋梁工程主孔基礎(chǔ)以及橋梁墩柱施工，完成臨時索以及墩梁臨時固結(jié)鋼材；同時完成支架基礎(chǔ)施工、搭設(shè)，并對于支架進行預(yù)壓和調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，完成拱腳段鋼拱肋的預(yù)埋施工以及鋼構(gòu)件位置固定，并對拱腳進行混凝土現(xiàn)澆施工。

（2）當(dāng)混凝土臨時固結(jié)后進行兩端邊拱肋鋼管安裝，并且安裝時采用對稱方式。完成安裝后，對拱肋線型進行檢查。

（3）以現(xiàn)澆混凝土系梁為基礎(chǔ)，搭設(shè)支撐，浮吊設(shè)備進行拱肋吊裝，并依據(jù)設(shè)計方案結(jié)果，對吊裝的各個接頭標(biāo)高進行校核，保證中間大節(jié)段鋼管拱的張?zhí)岬跹b效果。采用焊接工藝對每一個接頭進行焊接，并且將大節(jié)段水平拉桿拆除。

（4）將系梁上的臨時支架拆除，繼續(xù)擰系桿安裝，為避免安裝時其自重影響下發(fā)生顯著下垂情況，將鋼絲繩安裝在拱肋和系桿索之間，形成拉力。其中系桿的施工情況如圖2所示。

圖2 系桿施工

（5）系桿支撐吊索完成后，采用泵送方式將混凝土澆筑在拱肋上管管內(nèi)，進行養(yǎng)生處理后，使混凝土強度達到設(shè)計強度的80%。并且采用泵送方式將混凝土澆筑在肋腹板內(nèi)，澆筑時需保證其對稱和均勻性，避免腹板發(fā)生外鼓情況；對該澆筑混凝土進行養(yǎng)生，使混凝土強度達到設(shè)計強度的80%。

（6）在達到強度標(biāo)準(zhǔn)的鋼管混凝土上，對系梁進行張拉處理，在階段內(nèi)施加橫向預(yù)應(yīng)力索，并完成混凝土灌漿處理，強度達到設(shè)計的90%后，進行系桿張拉，拆除對應(yīng)的系梁支架。

（7）移動掛籃，完成系梁橫向風(fēng)纜安裝，并按照順序依次完成其他系梁兩端施工，同時完成系梁上吊桿安裝，進行該段對應(yīng)的系梁混凝土澆筑，混凝土強度達到設(shè)計的95%后，進行橫向預(yù)應(yīng)力張拉以及壓漿施工，在此基礎(chǔ)上，進行吊桿安裝，吊桿施工結(jié)果如圖3所示。

圖3 吊桿施工結(jié)果

（8）對系梁合攏段進行混凝土澆筑，混凝土強度達到設(shè)計的95%后，進行橫向預(yù)應(yīng)力張拉以及壓漿施工；拆除掛籃，并且墩梁臨時固結(jié)后，完成剩余吊桿安裝；拆除系桿支撐吊索，并進行吊桿索力復(fù)查以及調(diào)整，使其滿足工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。合攏段施工結(jié)果如圖4所示。

圖4 合攏段施工結(jié)果

（9）分批進行系梁其他預(yù)應(yīng)力的張拉，并且張拉時為對稱張拉，判斷其結(jié)果是否滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。對橫向索和預(yù)應(yīng)力管道分別進行張拉和壓漿處理后，將二次荷載施加在橋面上，以此檢測吊桿索力。

（10）最后進行鋼管防銹處理，完成橋梁施工。

3 施工性能檢算

3.1 檢算依據(jù)與荷載設(shè)定

施工性能檢算依據(jù)為以下7項：

（1）《140m系桿拱梁端支架圖紙》；

（2）《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》（TB 10110-2011）；

（3）《鐵路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB 10002.2-2005）；

（4）《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50204-2002）；

（5）《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB 10002.1-2005/J460-2005）；

（6）《建筑施工計算手冊》（第二版）；

（7）《路橋施工計算手冊》。

鋼筋混凝土容重26kN/m3；混凝土振搗荷載2kN/㎡；模板荷載0.5kN/㎡；方木容重7.5kN/m3；鋼材容重78.5kN/m3。

3.2 性能驗算

完成施工后，利用MIDAS Civil有限元軟件構(gòu)建橋梁有限元模型（如圖5所示），分析該橋梁的相關(guān)性能。

圖5 有限元模型結(jié)果

該模型在構(gòu)建過程中，整體由482個節(jié)點、524個單元組成，主要對兩個方面進行分析：

（1）模擬橋梁整個架設(shè)過程，計算在不同荷載作用下橋梁各個構(gòu)件的應(yīng)力變化情況。

（2）以施工過程中的檢測數(shù)據(jù)作為依據(jù)進行相關(guān)分析，對有限元模型進行調(diào)整，進一步完成橋梁應(yīng)力變化計算和分析。

拱肋驗算：縱向主梁作為橋梁的重要構(gòu)件，影響橋梁承載性，因此分析拱肋的應(yīng)力變化情況，在縱向主梁上安裝弦式應(yīng)變計，獲取縱向主梁在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，獲取縱向主梁截面應(yīng)力結(jié)果?？v向主梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下其和鋼弦絲之間的自振頻率f關(guān)系，可采用該頻率的三次多項式函數(shù)描述，其計算公式為：

式中：λ——鋼弦應(yīng)變；A、B、C、D均表示待定系數(shù)。

采用最小二乘方法對弦式應(yīng)變計獲取的數(shù)據(jù)進行計算，以此確定A、B、C、D系數(shù)結(jié)果，即可完成公式（1）的擬合，在此基礎(chǔ)上，獲取應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，其公式為：

式中：E——彈性模量；

φ——鋼弦應(yīng)力。

整體抗傾覆驗算：

對支架結(jié)構(gòu)組合風(fēng)載進行整體抗傾覆穩(wěn)定性分析，根據(jù)《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》（TB 10110-2011）標(biāo)準(zhǔn)進行判斷（結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)κ不小于1.5），κ計算公式為：

式中：Mq——風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩；

Mk——結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 組合應(yīng)力分析

獲取縱向主梁在荷載作用下的組合應(yīng)力分布結(jié)果，如圖6所示。

圖6 縱向主梁組合應(yīng)力結(jié)果

依據(jù)圖6試驗結(jié)果可知：縱向主梁的最大應(yīng)力結(jié)果為216.35MPa，并且應(yīng)力分布狀態(tài)為主梁對稱分布，因此應(yīng)力較為平衡，滿足施工要求。

4.2 整體抗傾覆分析

獲取橋梁施工后在不同的豎向力作用下，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)κ的計算結(jié)果，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計算結(jié)果

依據(jù)圖7試驗結(jié)果可知：在不同的豎向力作用下，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果均在1.5以上，滿足施工規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

大跨徑橋梁在施工過程中容易發(fā)生橋梁變形，并且形成橋臺位移、拱頂下降等情況，直接影響成橋后的使用壽命。為保證大跨徑特大橋施工質(zhì)量，本文以西苕溪右線特大橋為例，研究先拱后梁系桿拱施工技術(shù)，構(gòu)建橋梁有限元模型，分析施工技術(shù)應(yīng)用效果，結(jié)果顯示，該技術(shù)可保證橋梁的整體穩(wěn)定性以及承載性，滿足施工需求。