邸慶輝，張　健,劉山洪

(重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400070)

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勁性骨架拱橋施工過程仿真分析

邸慶輝，張健,劉山洪

(重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400070)

以玻璃溝大橋為背景，采用Midas/Civil大型有限元分析軟件建模，根據(jù)擬定的施工順序?qū)κ┕み^程進行具體模擬分析，從中分析施工階段各截面應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性，研究施工階段劃分的合理性。其成果將為拱橋施工提供理論依據(jù)及更好地指導后續(xù)施工。

勁性骨架；拱橋；仿真分析

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，西部山區(qū)需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，同時需要建設(shè)大量的橋梁，尤其是跨越兩個峽谷之間，而鋼管混凝土勁性骨架拱橋又適應(yīng)時代的要求。鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁鋼管內(nèi)而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，其基本原理是借助鋼管對混凝土的套箍約束作用[1]，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和更高的塑形變形能力。而套箍約束是在工程上，外部材料有效約束內(nèi)部的橫向變形，從而提高內(nèi)部材料的抗壓強度和變形能力。勁性骨架拱橋一般采用纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，施工難度大，且施工過程中的受力狀態(tài)發(fā)生著不斷變化。所以，有必要對其施工過程進行模擬分析。

1　工程背景

玻璃溝大橋為雅礱江兩河口水電站庫區(qū)復(fù)建縣道X037線溪工溝至尤拉西溝段的一座勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋。主孔為凈跨170 m，孔跨布置為3×13 m連續(xù)板+170 m勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋+20 m簡支空心板，拱橋總長247 m。主橋采用170 m上承式箱型拱橋，凈矢高34 m，凈矢跨比1/5，拱軸線型為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.543。橋面全寬8 m。骨架采用φ377×12的Q345C的無縫鋼管作主骨架及Q345C的槽鋼作腹桿、平聯(lián)、橫聯(lián)桿件。橋型布置如圖1所示。

圖1　玻璃溝大橋橋型布置(單位:m)

2　施工方法

2.1肋勁性骨架吊裝

拱肋采用纜索吊裝斜拉扣掛法，從拱角到拱頂分5個工作面對稱吊裝施工。施工循序如圖2所示。

圖2　勁性骨架吊裝示意

2.2內(nèi)灌C50混凝土

鋼管內(nèi)灌混凝土順序：先灌注上弦管，再灌注下弦管；先灌注外側(cè)管，再灌注內(nèi)側(cè)管。澆筑時應(yīng)全橋?qū)ΨQ均衡加載。

2.3外包混凝土

拱圈總共分“三環(huán)八段”對稱澆筑，“三環(huán)”為底板混凝土、腹板混凝土、頂板混凝土，先對稱澆筑底板混凝土直至合龍，待混凝土達到強度后再對稱澆筑全部腹板混凝土至合龍。待混凝土達到強度后再對稱澆筑中箱底板混凝土至合龍，最后澆筑頂板混凝土至合龍。施工過程如圖3、圖4所示。

圖3　拱圈混凝土縱向澆筑順序

圖4　拱圈混凝土橫向澆筑順序

2.4拱上建筑施工

從拱腳到拱頂均勻?qū)ΨQ澆筑拱上立柱及蓋梁，并預(yù)埋空心板錨栓；空心板吊裝：縱向從拱腳至拱頂均衡對稱勁性，橫橋向每跨由中間向兩側(cè)依次安裝4片預(yù)制橋面板，形成通道及工作平臺，然后進行橋面連續(xù)，橋面鋪裝，人行道、欄桿和路燈的安裝，完成橋梁施工。

為保證結(jié)構(gòu)的安全, 對涉及拱圈混凝土分段、分環(huán)澆筑施工進行了細化, 具體施工階段劃分見表1。

表1　施工程序

3　模型

模型仿真計算采用2015 Midas版本，建模采用梁-板組合模型[2]。全橋劃分2 369個節(jié)點，5 568個單元，其中包括4 762個梁單元和806個板單元，模型見圖5。

圖5　成橋計算模型

3.1材料參數(shù)

玻璃溝大橋主要材料參數(shù)見表2。

表2　玻璃溝大橋材料參數(shù)

3.2混凝土收縮徐變

拱圈外包混凝土頂、底板的理論厚度由0.8 m漸變成0.4 m，外腹板由0.55 m變成0.3 m，中腹板的厚度為0.3 m。外包混凝土初始加載齡期取6個月(180 d)，收縮徐變計算到鋪裝完成后10 a。

3.3二期恒載

橋面鋪裝：先在橋面板上澆筑10 cm的C50合成纖維混凝土調(diào)平層，其鋼筋網(wǎng)離水泥水泥混凝土鋪裝上表面的凈保護層為3 cm。待混凝土強度達到70 %后，在其上均勻涂刷BBC-251Ⅱ型道橋用聚合物改性瀝青防水涂料。待防水層干燥后，在防水層上面4 cm的細粒式瀝青混凝土。

4　施工階段模擬

4.1模擬內(nèi)容

各施工階段控制截面鋼管應(yīng)力、混凝土應(yīng)力模擬；控制截面位移模擬；主拱圈穩(wěn)定性模擬。

4.2撓度和應(yīng)力模擬

玻璃溝大橋根據(jù)施工階段劃分，對各階段控制截面撓度、鋼管應(yīng)力、主拱圈混凝土應(yīng)力主拱圈穩(wěn)定性進行了模擬，計算結(jié)果見圖6～圖10，其中應(yīng)力正為拉應(yīng)力，負為壓應(yīng)力。

圖6　施工階段理論撓度值

圖7　下弦桿鋼管控制截面理論應(yīng)力

圖8　上弦桿鋼管控制截面理論應(yīng)力

圖9　上弦桿內(nèi)灌混凝土控制截面理論應(yīng)力

圖10　下弦桿內(nèi)灌混凝土控制截面理論應(yīng)力

由圖6可知，整個施工階段控制截面的下?lián)蠐隙葞缀醵际蔷鶆蜃兓?，直到澆筑拱上立柱和蓋梁時，撓度下滑迅速，可見澆筑拱上立柱的重量是比較大的。施工時，更應(yīng)該采取均勻?qū)ΨQ的施工方法，堅決按照拱橋的施工控制[3]。施工控制是一個施工→測試→識別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程。施工控制的目的是保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全以及外形和內(nèi)力符合設(shè)計要求。

由圖7～圖10可知，勁性骨架合龍后，從理論模擬數(shù)據(jù)出發(fā)，可以清楚的看出不論鋼管還是混凝土都是在1/8截面處的應(yīng)力在各個施工階段中處于最大處，所以在施工監(jiān)控中，應(yīng)該重點監(jiān)控。同時，鋼管的最大軸向壓應(yīng)力為181 MPa,內(nèi)灌混凝土的壓應(yīng)力最大9.24 MPa，可見拱肋的應(yīng)力均大大小于鋼管強度標準值、混凝土強度標準值[4]。拱肋的的整體受力安全。

4.3穩(wěn)定性分析[5]

拱的穩(wěn)定從失穩(wěn)形態(tài)分為面內(nèi)穩(wěn)定和面外穩(wěn)定;從失穩(wěn)時是否發(fā)生平衡分支又分為分支點失穩(wěn)和極值點失穩(wěn)。在沒有考慮非線性影響的條件下，失穩(wěn)時屬于分支點失穩(wěn)，而分支點失穩(wěn)常用的計算方法是通過求解特征值得到彈性臨界荷載，因此它只是真實解的上限，工程中一般要求彈性分支點失穩(wěn)的臨界荷載為實際荷載的4～6倍。

勁性骨架拱橋的失穩(wěn)與一般拱橋的失穩(wěn)不同,勁性骨架和混凝土板的受力是分次疊加的, 每次加載的承載結(jié)構(gòu)都不同,導致勁性骨架弦桿和腹桿的受力不均勻。因此，需要模擬各個階段的穩(wěn)定系數(shù)。

拱橋施工階段通過特征值求解的一階特征值作為穩(wěn)定系數(shù)，要求達到4～5(圖11)。

圖11　各施工階段穩(wěn)定系數(shù)

由圖11可見：在澆筑底板混凝土階段(3～7施工階段)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)處于最低點，不滿足要求，其余階段均滿足要求；澆筑底板混凝土，腹板混凝土時，在不合龍之前，穩(wěn)定系數(shù)變化不大，合龍之后穩(wěn)定系數(shù)提升；澆筑頂板混凝土階段時，穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)步提升，可見，拱圈的形成提高了拱橋的穩(wěn)定系數(shù)。

5　模型的優(yōu)化調(diào)整

由于拱橋在施工前，所有的模擬分析都是按照施工圖紙在理想化狀態(tài)下進行模擬分析計算的，而在實際施工過程中，影響拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形因素很多，主要有以下幾方面。

(1)施工臨時荷載( 施工機具及模板等) ;

(2)合龍溫度及日照的影響;

(3)現(xiàn)場澆筑混凝土澆筑方量的控制;

(4)混凝土收縮和徐變的影響(主要包含強度-時間實際發(fā)展曲線定義及收縮徐變應(yīng)變-時間實際發(fā)展曲線定義)。

針對以上影響因素，監(jiān)控過程中將根據(jù)實際情況和實測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)有限元計算模型進行逐階段優(yōu)化調(diào)整，使之不斷接近實際。

6　結(jié)束語

本文通過運用大型有限元軟件Midas/Civil建模，對玻璃溝大橋各個施工階段模擬分析發(fā)現(xiàn)，按照設(shè)計施工工序，玻璃溝大橋各個施工階段下?lián)系奈灰?，符合設(shè)計要求；各個階段的應(yīng)力均未超過材料容許應(yīng)力；同時，在各個施工階段的穩(wěn)定分析中，澆注底板混凝土的穩(wěn)定系數(shù)未達到要求，說明在施工時，應(yīng)該加強骨架的橫向連接，保證施工安全。

[1]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].人民交通出版社,1997.

[2]米曦亮，栗勇.勁性骨架在混凝土拱橋中的應(yīng)用和模擬方法研究[J].城市道路與防洪，2013,6(6):93-96.

[3]張征文，王巍，江根明.大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋的施工及控制[J].建筑施工，2007，29(4)：284-285.

[4]JTG D62-2012 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[5]趙雷，杜正國.大跨度鋼筋混凝土拱橋鋼管混凝土勁性骨架施工穩(wěn)定性分析[J].西南交通大學學報，1994(4)：446-446.

邸慶輝(1989～)，男，碩士，研究方向為道橋與隧道工程及檢測。

U445.469

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[定稿日期]2016-03-16