大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工順序優(yōu)化

王發(fā)正 張馨

摘要：對大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工順序進(jìn)行優(yōu)化，采用有限元軟件Midas/Civil對拱橋建模并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算施工方案1（從拱腳向拱頂架設(shè)拱上立柱，再從拱腳向拱頂架設(shè)T梁）、施工方案2（從拱頂向拱腳架設(shè)拱上立柱，再從拱頂向拱腳架設(shè)T梁）、施工方案3（從拱腳向拱頂方向同時(shí)架設(shè)拱上立柱和T梁）、施工方案4（從拱頂向拱腳方向同時(shí)架設(shè)拱上立柱和T梁）等4種方案下主拱圈控制截面的位移、應(yīng)力和穩(wěn)定性。在保障工程施工安全的前提下，遵循對稱加載的原則，優(yōu)化調(diào)整拱上建筑施工順序。結(jié)果表明：成橋后施工方案3的位移和應(yīng)力最小，且施工拱上建筑中，位移和應(yīng)力變化幅度最小，施工方案3為最優(yōu)施工方案。施工方案3對應(yīng)的施工順序滿足結(jié)構(gòu)施工安全的要求，且拱上立柱和橋面T梁可同步施工，有效縮短施工周期。

關(guān)鍵詞：上承式鋼管混凝土拱橋；數(shù)值分析；施工順序；優(yōu)化

中圖分類號：U445.47文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0067-07

引用格式：王發(fā)正，張馨.大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工順序優(yōu)化［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（2）：67-73.

WANG Fazheng， ZHANG Xin. Construction sequence optimization for the construction of arch building on a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：67-73.

0?引言

近年來，隨纜索吊裝法的逐步成熟，鋼管混凝土拱橋因力學(xué)性能優(yōu)異、施工便捷和美觀等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在中大型跨越結(jié)構(gòu)中[1]。拱上建筑是上承式鋼管混凝土拱橋的重要組成部分，直接承受并傳遞移動荷載[2-4]。對主拱圈已合龍的上承式鋼管混凝土拱橋，拱上建筑的施工影響主拱圈的位移、內(nèi)力及穩(wěn)定性，同時(shí)主拱圈的變形也會對拱上建筑的位移和內(nèi)力產(chǎn)生影響[5-6]。采用對稱、均衡、多工作面加載的原則[7-8]優(yōu)化拱上建筑施工順序，改善橋梁結(jié)構(gòu)受力情況，縮短施工周期，為施工單位提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對上承式鋼管拱橋的施工有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

周建庭等[9]、林春姣等[10]、吳艷麗等[11]提出基于影響線加載法調(diào)整拱上建筑工序，可顯著提高拱橋的富余承載力。張博[12]、李玉忠等[13]、余錢華等[14]、宋俊杰等[15]提出拱上建筑施工應(yīng)遵循對稱施工、均勻加載的基本原則，必要時(shí)可分階段、穿插進(jìn)行，保證結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。謝開仲等[16]、鄧鳳學(xué)[17]、尼瑪卓瑪[18]通過優(yōu)化加載程序改善橋梁受力，縮短施工周期。李獻(xiàn)等[19]、雷盼等[20]優(yōu)化拱上建筑的加載順序，并應(yīng)用到拱式渡槽。但優(yōu)化拱上建筑施工順序的相關(guān)文獻(xiàn)較少且研究時(shí)間較早。

本文在某鋼管混凝土拱橋拱圈合龍后，采用有限元軟件Midas/Civil建模，按對稱原則優(yōu)化拱上建筑施工順序，以期改善主拱圈的變形、受力狀態(tài)，有效縮短施工周期，讓橋梁施工更加高效和經(jīng)濟(jì)。

1?工程概況

某上承式鋼管混凝土拱橋的計(jì)算跨徑為330 m，矢跨比為1/5；拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543，橋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。拱上立柱采用排架式矩形鋼箱結(jié)構(gòu)，各柱肢分別固定于拱肋上弦桿上，沿立柱高度方向，按標(biāo)準(zhǔn)間距每隔8 m設(shè)置1道柱系梁。采用工廠分段制作、加工，現(xiàn)場分段吊裝、焊接的方式安裝立柱。立柱蓋梁采用矩形薄壁變截面鋼箱結(jié)構(gòu)，采用工廠分段制作、加工，運(yùn)至現(xiàn)場焊接成整體后再進(jìn)行吊裝的方式安裝。橋面系采用25 m跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，每幅橋每孔布置5片T梁，結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)，拱上建筑布置及編號如圖2所示。

2?拱上建筑施工順序

在主拱圈合龍并灌注混凝土后，原設(shè)計(jì)方案遵循對稱均勻的原則架設(shè)拱上立柱和蓋梁，從兩岸向跨中對稱吊裝就位后焊接；遵循對稱原則架設(shè)拱上車行道預(yù)制T梁時(shí)，即順橋向從拱腳向拱頂，橫橋向從中間向兩側(cè)架設(shè)。

該拱橋的施工周期短，作業(yè)量大。為保證全線在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通車，在保障工程施工安全的前提下，遵循對稱加載的原則，優(yōu)化調(diào)整拱上建筑的施工順序。在拱上建筑施工前，擬定不同的拱上建筑施工順序方案，計(jì)算分析不同施工方案下主拱圈等的應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇最優(yōu)施工順序，在后續(xù)施工中監(jiān)控主拱圈的應(yīng)力及位移，保證橋梁在拱上建筑施工過程中的安全性，保證拱肋線形滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)立柱和橋面系T梁布置擬定4種施工方案，每個(gè)施工方案均由14個(gè)步驟組成。施工方案1為從拱腳向拱頂架設(shè)拱上立柱，再從拱腳向拱頂架設(shè)T梁。施工方案2為從拱頂向拱腳架設(shè)拱上立柱，再從拱頂向拱腳架設(shè)T梁。施工方案3為從拱腳向拱頂方向同時(shí)架設(shè)拱上立柱和T梁。施工方案4為從拱頂向拱腳方向同時(shí)架設(shè)拱上立柱和T梁。拱上建筑施工順序如表1所示，4種施工方案在2種施工順序下的施工示意圖如圖3～6所示。

3?計(jì)算分析

3.1?有限元模型建立

采用有限元軟件Midas/Civil根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建模并計(jì)算分析，全橋可劃分為6 128個(gè)節(jié)點(diǎn)和7 010個(gè)梁單元。采用施工階段聯(lián)合界面模擬拱圈管內(nèi)混凝土，考慮混凝土收縮徐變，每個(gè)施工步驟為14 d。拱腳處約束簡化為固結(jié)約束，T梁與拱上立柱采用剛性連接。拱橋有限元模型如圖7所示。

根據(jù)表1擬定的4種拱上建筑施工順序完成灌注混凝土后，將4種施工方案均劃分為14個(gè)施工階段，分別代入拱橋有限元模型計(jì)算。因拱橋結(jié)構(gòu)沿縱橋向?qū)ΨQ，對比分析主拱圈L/8、L/4、3L/8和拱頂截面的撓度、應(yīng)力和穩(wěn)定性。

3.2?位移結(jié)果分析

完成橋面鋪裝后，各施工方案主拱圈控制截面的位移如表2所示。由表2可知：完成橋面鋪裝后，施工方案3拱頂?shù)奈灰谱钚?，?374.8 mm；施工方案1拱頂?shù)奈灰坡源笥谑┕し桨?；其次是施工方案2，施工方案4拱頂?shù)奈灰谱畲?，比施工方?大18.8 mm。各施工方案下主拱圈控制截面位移相差不大，施工方案3略優(yōu)于其他施工方案。

施工過程中，各施工方案主拱圈控制截面的最小位移和最大位移如表3所示。

由表3可知：在拱上建筑施工中，施工方案3拱頂?shù)淖钚∥灰谱钚。瑸?147.3 mm；其次是施工方案1，略大于施工方案3，為-170.4 mm；施工方案2和施工方案4變化幅度相同，相較于施工方案3，拱頂?shù)淖钚∥灰葡嗖?6.7 mm；施工過程中主施工方案3拱圈控制截面變化的最小位移優(yōu)于其他施工方案。在拱上建筑施工中，施工方案3拱頂?shù)淖畲笪灰谱钚?，?374.8 mm；施工方案1結(jié)果略大于施工方案3；其次是施工方案2，位移最大的是施工方案4，相較于施工方案3，拱頂最大位移相差48.0 mm。施工過程中施工方案3主拱圈控制截面變化的最大位移優(yōu)于其他施工方案。

3.3?應(yīng)力結(jié)果分析

完成橋面鋪裝后，各施工方案主拱圈拱肋截面的應(yīng)力如表4所示。

由表4可知：完成橋面鋪裝后，施工方案3拱頂?shù)膽?yīng)力最小，為-105.7 MPa；施工方案1的結(jié)果略大于施工方案3；應(yīng)力最大的是施工方案4，相較于施工方案3，拱頂應(yīng)力大7.2 MPa；完成橋面鋪裝后，各施工方案主拱圈控制截面應(yīng)力結(jié)果相差不大，施工方案3略優(yōu)于其他施工方案。

施工過程中，各施工方案主拱圈控制截面的最小應(yīng)力和最大應(yīng)力如表5所示。由表5可知：1）施工方案3拱頂?shù)淖钚?yīng)力最小，為-54.3 MPa；施工方案1為-58.8 MPa，略大于施工方案3；施工方案2和施工方案4相同，相較于施工方案3，拱頂?shù)淖钚?yīng)力大9.0 MPa。施工過程中主拱圈控制截面的最小應(yīng)力相差不大，施工方案3優(yōu)于其他施工方案。2）施工方案3拱頂?shù)淖畲髴?yīng)力最小，為-123.3 MPa；施工方案1的最大應(yīng)力略大于施工方案3；變動最大的是施工方案4，比施工方案3大8.4 MPa。施工過程中主拱圈控制截面變化的最大應(yīng)力，施工方案3優(yōu)于其他施工方案。

3.4?穩(wěn)定性結(jié)果分析

采用有限元軟件Midas/Civil計(jì)算4種施工方案下施工過程的屈曲模態(tài)特征值，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：4種施工方案的最小1階穩(wěn)定系數(shù)均為7.9，大于安全系數(shù)4[21]，說明各方案施工過程中穩(wěn)定性較高。原因是主拱圈合龍后，拱橋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，主拱圈穩(wěn)定性較高。施工方案2的平均穩(wěn)定系數(shù)最大，其次是施工方案1，施工方案3、4相對偏小，但施工方案3波動較小，更平穩(wěn)。

鋼管混凝土澆筑結(jié)束達(dá)到混凝土強(qiáng)度后，該拱結(jié)構(gòu)為彈性超靜定拱結(jié)構(gòu)，若不考慮混凝土的收縮徐變，無論拱上建筑施工順序如何變化，成橋后的位移和應(yīng)力都不會改變。但在拱圈內(nèi)澆筑混凝土后，管內(nèi)混凝土與鋼結(jié)構(gòu)拱圈共同受力，管內(nèi)混凝土存在收縮徐變。模擬施工過程時(shí)考慮了混凝土的收縮徐變[22-25]。不同的施工過程造成拱橋結(jié)構(gòu)在施工時(shí)位移和應(yīng)力的累積。但在穩(wěn)定性分析中，各施工工況為獨(dú)立模型，成橋后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)相同[26-28]。

綜合考慮主拱圈控制截面位移和應(yīng)力，成橋后施工方案3的位移和應(yīng)力最小，且拱上建筑施工過程中，位移和應(yīng)力變化幅度最小，穩(wěn)定性系數(shù)較高，為最優(yōu)施工方案。施工方案3對應(yīng)的施工順序滿足結(jié)構(gòu)施工安全的要求，且拱上立柱和橋面T梁可同步施工，有效縮短施工周期，施工更高效，更經(jīng)濟(jì)。

4?結(jié)論

1）拱上建筑施工順序?qū)袄叩氖芰臀灰朴休^大影響。拱上建筑施工需對稱、均勻施工，使主拱圈受力均勻，保證拱圈的安全性。

2）拱上建筑的施工順序由拱腳向拱頂方向推移，拱圈的受力和位移變化比由拱頂向拱腳方向推移變化小。沿拱腳向拱頂方向，同步施工立柱和T梁拱圈受力最優(yōu)，其次是先施工立柱，后施工T梁。

3）在大跨度鋼管混凝土拱上建筑施工前，須優(yōu)化拱上建筑的施工順序，以理論分析為基礎(chǔ)，選取最優(yōu)方案指導(dǎo)現(xiàn)場施工。在滿足結(jié)構(gòu)施工安全的同時(shí)，可有效縮短施工周期，施工更加高效和經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]?王發(fā)正，鄭萬山，劉海明．鋼管混凝土拱橋建設(shè)過程中線形的確定與控制[J]．公路交通技術(shù)，2021，37（3）：98-110.

[2]?梅蓋偉，李強(qiáng)，張肄，等．156 m鋼筋混凝土拱橋主拱圈施工階段受力特性研究[J]．四川建材，2022，48（2）：193-194.

[3]?孫啟昕．600 m跨混凝土拱橋拱上建筑形式及主拱構(gòu)造研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2023.

[4]?何齊家．大跨徑鋼桁拱橋主拱圈及拱上建筑結(jié)構(gòu)形式研究[D]．貴陽：貴州大學(xué)，2022.

[5]?王建軍．上承式鋼管拱橋拱上建筑施工技術(shù)研究[J]．施工技術(shù)，2018，47（增刊4）：773-777．

[6]?江浩偉，朱華棟．鋼筋混凝土箱形無鉸拱拱軸線與拱上建筑優(yōu)化研究[J]．黑龍江交通科技，2017，40（6）：93.

[7]?顧安邦，向中富．橋梁工程（下冊）[M]．3版.北京：人民交通出版社，2017.

[8]?莊家智，毛久群．空腹式鋼筋混凝土拱橋拓寬加固新方法[J]．公路交通技術(shù)，2016，32（1）：90-93.

[9]?周建庭，鄧智，袁瑞，等．劣化拱軸線大跨石拱橋拱上建筑調(diào)載工序研究[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，29（1）：16-19．

[10]?林春姣，朱劍宇，藍(lán)佳玉，等．600 m鋼管混凝土勁性骨架拱橋主拱圈混凝土澆筑方案研究[J]．中國鐵道科學(xué)，2023，44（1）：125-133．

[11]?吳艷麗，孫金林，曹亞莉，等．混凝土灌注順序?qū)Υ罂缍蠕摴芑炷凉皹蛑鞴叭κ┕し€(wěn)定性的影響[J]．石材，2023（12）： 117-119．

[12]?張博．鐵路勁性骨架鋼管混凝土拱橋施工過程仿真分析[D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2017．

[13]?李玉忠，靳苒菁，梁玲玉，等．大跨徑鋼管混凝土拱橋拱上建筑施工優(yōu)化研究[J]．河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，37（2）：30-33．

[14]?余錢華，羅波，張凱，等．大跨度拱橋加載程序優(yōu)化分析[J]．公路與汽運(yùn)，2009（1）：122-125．

[15]?宋俊杰，劉湘江，楊真春．拱上建筑加載順序?qū)χ鞴叭Φ挠绊慬J]．山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，11（2）：52-54．

[16]?謝開仲，魏勇，梁棟，等．基于最優(yōu)化原理的大跨度勁性骨架拱橋外包混凝土分環(huán)分段澆筑分析[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2023，67（6）：109-116．

[17]?鄧鳳學(xué)．五跨連續(xù)鋼管混凝土系桿拱橋施工加載程序優(yōu)化[J]．世界橋梁，2008（2）：45-47．

[18]?尼瑪卓瑪．加載程序設(shè)計(jì)在無支架鋼筋混凝土箱形拱橋施工中的運(yùn)用[J]．林業(yè)建設(shè)，2005（6）：36-37．

[19]?李獻(xiàn)，孫欽剛，姚偉．大跨度拱式渡槽拱上建筑加載順序的研究[J]．交通科技，2017（4）：83-85．

[20]?雷盼，王鵬，羅亞松．大跨渡槽加載程序分析[J]．甘肅水利水電技術(shù)，2016，52（5）：22-25．

[21]?中華人民共和國交通運(yùn)輸部，四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T D65-06—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[22]?王吉源.大跨度上承式鋼管混凝土拱橋靜動力分析[J].中國水運(yùn)（下半月），2022，22（10）：129-131.

[23]?鐘元，崔振山.大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋計(jì)算及試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析研究[J].公路，2022，67（10）：245-250.

[24]?胡立飛.超大跨上承式鋼管混凝土拱橋非線性穩(wěn)定及簡化計(jì)算方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2022.

[25]?王力武，徐玉梁.立柱對上承式鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性的影響[J].廣東土木與建筑，2022，29（3）：54-57.

[26]?武電坤，楊興，馮鵬程.超大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)[J].中外公路，2021，41（2）：229-232.

[27]?饒文濤.特大跨上承式鋼管混凝土拱橋拱上構(gòu)造設(shè)計(jì)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2020.

[28]?董福民.上承式鋼管混凝土拱橋合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)特性分析[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2020.

Construction sequence optimization for the construction of arch building

on a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge

WANG Fazheng1， ZHANG Xin2

1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research ＆ Design Institute Co.， Ltd.， Chongqing 400067， China;

2.Chongqing Urban Construction Senior Technical School， Chongqing 402247， China

Abstract：In order to optimize the construction sequence of the upper arch structure of a large-span steel pipe concrete arch bridge， the finite element software Midas/Civil is used to model and numerically analyze the arch bridge. The displacement， stress， and stability of the main arch ring control section are calculated under four construction schemes： Scheme 1 （erecting the upper column from the arch foot to the arch crown and then the T-beam from the arch foot to the arch crown）， Scheme 2 （erecting the upper column from the arch crown to the arch foot and then the T-beam from the arch crown to the arch foot）， Scheme 3 （simultaneously erecting the upper column and T-beam from the arch foot to the arch crown）， and Scheme 4 （simultaneously erecting the upper column and T-beam from the arch crown to the arch foot）. Ensuring construction safety and following the principle of symmetric loading， the construction sequence of the upper arch structure Is optimized. Results show that after the bridge is completed， the displacements and stresses of Scheme 3 is the smallest with minimal variations during construction. The Scheme 3 is the optimal construction scheme. The construction sequence corresponding to Scheme 3 meets the safety requirements of structural construction， allowing simultaneous construction of the upper columns and bridge deck T-beams， effectively reducing the construction period.

Keywords：a long-span continuous steel pipe concrete arch bridge; numerical analysis; construction sequence; optimization

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2023-01-05

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFF0217801）

第一作者簡介：王發(fā)正（1993—），男，重慶人，工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)闃蛄簷z測及健康監(jiān)測，E-mail：923977154@qq.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.010