王詩海 唐咸遠(yuǎn) 李松敖

摘? 要：為研究不同等級風(fēng)荷載對施工過程中大跨度鋼管混凝土拱橋的力學(xué)性能的變化，采用Midas/Civil軟件對廣西某主跨為336 m的中承式鋼管混凝土拱橋的橫橋向位移、軸力、拉壓應(yīng)力及拱腳處彎矩值的變化情況進(jìn)行了分析.分析研究表明：橫橋向位移、軸力及拱腳處彎矩隨不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，在最大懸臂端階段時(shí)橫橋向位移和拱腳處彎矩取得最大值，隨后逐漸減小，而軸力在拱肋合龍時(shí)取得最大值后才逐漸減小;同一施工階段拱的拉壓應(yīng)力隨重現(xiàn)期風(fēng)荷載的增加而增大，構(gòu)件所受的實(shí)際拉應(yīng)力都小于實(shí)際壓應(yīng)力，但各相對施工階段的增長率在逐漸減小.

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋;風(fēng)荷載;施工階段;有限元分析

中圖分類號：U448.22;U441.2? ? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.005

0? ? 引言

隨著我國對鋼管混凝土拱橋的建設(shè)逐漸增多，跨度需求也愈來愈大，其施工的質(zhì)量控制及安全保障問題日益突出 [1-5].國內(nèi)外諸多學(xué)者對優(yōu)化橋梁施工及影響橋梁安全因素等方面做了不少的研究，有限元模擬軟件的開發(fā)也為橋梁復(fù)雜構(gòu)件施工提供了可視化分析與理論依據(jù)，大大促進(jìn)了橋梁的快速發(fā)展[6-7].目前，大多數(shù)學(xué)者對鋼管混凝土拱橋在施工階段時(shí)拱肋吊裝及扣索的受力變化規(guī)律進(jìn)行了探究，也有對拱橋的拱軸線型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析，雖然這些舉措為橋梁施工提供了一定的參考依據(jù)，提高了成橋后橋梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但都未考慮施工條件下風(fēng)荷載對橋梁自身結(jié)構(gòu)的影響[8-12].風(fēng)荷載是一種隨機(jī)荷載，風(fēng)對橋梁的影響表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，當(dāng)風(fēng)荷載達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)承受極限范圍之外時(shí)，往往會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形破壞從而導(dǎo)致整橋的坍塌[13].對于懸臂施工的大跨度斜拉橋、連續(xù)梁橋應(yīng)該考慮施工階段的風(fēng)荷載作用，相關(guān)研究也有不少[14-15].但相對于大跨度鋼管混凝土拱橋在采用不同的施工方式及考慮風(fēng)荷載對橋身結(jié)構(gòu)的影響研究相對較少，且不同地區(qū)的地質(zhì)氣候環(huán)境對橋梁施工的影響也有差別[16].因此，加強(qiáng)對橋梁施工階段的抗風(fēng)性能研究，防止風(fēng)荷載對橋梁的破壞、保證施工安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.本文通過對一主跨為336 m的鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯勘尘?，結(jié)合施工現(xiàn)場情況及監(jiān)控情況，分析不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載對橋梁施工階段的橫橋向位移、軸力、拉壓應(yīng)力及拱腳處彎矩值的變化規(guī)律，以期研究和了解其在施工各階段的受力變化情況.

1? ? 工程概況

1.1? ?大橋基本概況

如圖1、圖2所示，廣西來賓某跨紅水河大橋，主橋長336 m，橋面寬54.4 m，引橋長217 m，全橋長553 m，按兩幅橋進(jìn)行設(shè)置，單幅橋的橋面總寬為25.5 m，設(shè)計(jì)速度為120 km/h;橋跨徑由? ? ? ? 5×30 m+336 m+2×30 m組合而成;橋面梁由“工”字型的格子梁構(gòu)成;橋面系由鋼縱梁以及鋼主、次橫梁的鋼-混凝土構(gòu)成的橋面板并采用瀝青混凝土對橋面進(jìn)行鋪裝，鋼縱梁由鋼橫梁懸臂拼接而成.

1.2? ?主橋施工概況

通過配置額定起重能力達(dá)到1 000 kN的主索對大橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝，塔架系統(tǒng)采用將吊塔和扣塔共用的“吊、扣合一”方式，拱肋均為廠內(nèi)預(yù)制的構(gòu)件且采用兩岸對稱往跨中的施工方式進(jìn)行.每跨主拱肋共有24段，分左右兩個(gè)半拱從紅水河兩岸分別按照1～12段的對稱順序進(jìn)行施工，在中間第12節(jié)段安裝完成，主橋上部結(jié)構(gòu)施工共劃分為40個(gè)施工段.

2? ? 風(fēng)荷載計(jì)算與模型建立

2.1? ?風(fēng)荷載計(jì)算

因大橋位于廣西來賓市附近，橫跨一條紅水河，地表地貌類型可劃分為B類，根據(jù)來賓重現(xiàn)期基本風(fēng)速分布表按重現(xiàn)期20年、40年和100年取值，平均風(fēng)速分別取為22.8 m/s、23.7 m/s和24.9 m/s（相當(dāng)于9～10級風(fēng)力）.結(jié)合設(shè)計(jì)與施工圖紙，以拱腳處作為零基準(zhǔn)面，分別計(jì)算各個(gè)施工節(jié)段隨基準(zhǔn)高度變化時(shí)所對應(yīng)的等效靜風(fēng)風(fēng)速.風(fēng)荷載基本參數(shù)取值與計(jì)算根據(jù)規(guī)范來確定[17]，分別計(jì)算得到不同重現(xiàn)期內(nèi)各施工節(jié)段弦桿及腹桿單位長度上的靜風(fēng)線荷載如表1所示.

從表1分析可知，由節(jié)段1至節(jié)段12時(shí)，在不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載作用下的施工等效靜風(fēng)風(fēng)速均增加了23.6%，相應(yīng)的弦桿線荷載、腹桿線荷載增加了52.5%;其中主梁線荷載在節(jié)段7時(shí)取得最大值，較節(jié)段1增加了41.1%，節(jié)段12相較取得最大值的節(jié)段7減小了5.12%;隨著施工節(jié)段的進(jìn)行，不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載及不同施工等效靜風(fēng)風(fēng)速下的主梁線荷載均大于弦桿線荷載和腹桿線荷載.

根據(jù)表1，繪制不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載作用下的施工等效靜風(fēng)風(fēng)速、主梁線荷載、弦桿線荷載和腹桿線荷載隨各節(jié)段構(gòu)件的變化規(guī)律情況如圖3—圖6所示.如圖3所示，隨著各節(jié)段構(gòu)件的有序施工，各重現(xiàn)期內(nèi)的施工等效靜風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定;從圖4—圖6分析可知，靜風(fēng)線荷載隨不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載的增加明顯增大，其中主梁線荷載的影響最大，在節(jié)段7取得最大值，隨后有小幅度的降低，而弦桿線荷載和腹桿線荷載隨不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載的增加而增大并逐漸趨于穩(wěn)定.在同一施工節(jié)段處，重現(xiàn)期40年風(fēng)荷載相對于重現(xiàn)期20年風(fēng)荷載，同一節(jié)段處的施工等效靜風(fēng)風(fēng)速均增加了3.9%，相應(yīng)的主梁線荷載、弦桿線荷載及腹桿線荷載均增加了8.1%;重現(xiàn)期100年風(fēng)荷載相對于重現(xiàn)期20年風(fēng)荷載，同一節(jié)段處的施工等效靜風(fēng)風(fēng)速均增加了16.7%，相應(yīng)的主梁線荷載、弦桿線荷載及腹桿線荷載均增加了36.2%.表明隨著重現(xiàn)期風(fēng)荷載的不斷增加，同一節(jié)段處的施工等效靜風(fēng)風(fēng)速、主梁線荷載、弦桿線荷載及腹桿線荷載也在不斷的增大.

2.2? ?有限元模型建立

如圖7所示，橋梁有限元模型中的扣索和吊桿選用軟件內(nèi)提供的索單元進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，橋面板選取板單元實(shí)現(xiàn)，其它選取空間梁單元模擬實(shí)現(xiàn).建模時(shí)對扣索的模擬考慮了扣索整個(gè)長度的剛度等效，并與實(shí)際纜索吊裝施工相符;混凝土灌注施工過程采用軟件自帶的施工階段聯(lián)合截面功能進(jìn)行模擬分析;橋面系格構(gòu)梁和立柱之間通過主從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬;橋梁上的二期恒載作用采用均布荷載的方式給予施加.設(shè)計(jì)的汽車最大行駛速度為120 km/h，橋面上的人群荷載和汽車荷載分別設(shè)為3.5 kN/m2和城市A級，沖擊系數(shù)取0.11進(jìn)行計(jì)算分析.

3? ? 施工階段靜風(fēng)穩(wěn)定性分析

選取具有代表性6種工況進(jìn)行分析，由于大橋左右幅跨度及高度相同，因此，選擇一幅進(jìn)行計(jì)算，并考慮風(fēng)荷載作用下最大懸臂施工階段左右半跨的穩(wěn)定性.橫橋向風(fēng)荷載相較于順橋向風(fēng)荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響作用更大，故文章只考慮不同等級風(fēng)荷載對橫橋方向上的影響作用分析，將表1中計(jì)算得到的相關(guān)值輸入到橋型各施工階段的不同結(jié)構(gòu)中，分別進(jìn)行計(jì)算，得到橫橋方向上的位移、軸力、拉壓應(yīng)力以及拱腳處彎矩的變化值.

3.1? ?橫橋向位移

利用Midas/Civil有限元軟件對重現(xiàn)期20年、40年和100年風(fēng)荷載以及恒載作用下橫橋向位移（均位于左側(cè)），拱肋各施工段對應(yīng)的豎向位移最高處節(jié)段上弦桿頂端進(jìn)行計(jì)算分析，具體分析結(jié)果如圖8所示（均取最大位移絕對值）.由圖8分析可知：1）不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載作用與恒載作用下相比，橫橋向的位移變化較為明顯且呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律趨勢，均在最大懸臂端施工階段（CS12）取得最大值，而后隨各施工階段的進(jìn)行橫橋向位移逐漸減小至穩(wěn)定;2）在最大懸臂施工階段（CS12）處，重現(xiàn)期20年、100年的風(fēng)荷載比恒載作用下要分別增大約15倍、20倍，故當(dāng)風(fēng)荷載較大時(shí)，應(yīng)該采取加固措施來保證拱肋的穩(wěn)定，并加強(qiáng)對拱肋的各方位監(jiān)控，確保拱肋及其它構(gòu)件的順利施工.

3.2? ?橫橋向軸力

通過計(jì)算不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載及恒載作用下各施工階段對應(yīng)的橫橋向軸力關(guān)系曲線如圖9所示.從圖9分析可知：1）在恒載和不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載分別作用下，橫橋向軸力隨各施工階段進(jìn)行的變化趨勢較一致，說明在橫橋向風(fēng)荷載作用下會(huì)對設(shè)有臨時(shí)或永久橫撐的橋梁部位產(chǎn)生橫橋向軸力.2）橫橋向軸力隨著拱肋吊裝施工階段（CS1～CS12）的進(jìn)行均在不斷增加，且在拱肋合龍時(shí)（CS13）取得最大值，隨后續(xù)施工階段的進(jìn)行橫橋向軸力逐漸減小，而在橋面最大懸臂階段（CS31）處又繼續(xù)回升穩(wěn)定至成橋階段（CS40），這是因?yàn)闃蛄涸诠袄吲c橋面合龍后受到自重和頂推力等各方面力的共同作用而導(dǎo)致的.3）考慮重現(xiàn)期100年的風(fēng)荷載作用比單恒載作用下的橫橋向軸力增大約13.2%，表明相同施工階段的橫橋向軸力受風(fēng)荷載的影響不大.

3.3? ?拉、壓應(yīng)力

不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載以及恒載作用下最大組合應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如表2所示.其中施工階段的最大拉應(yīng)力均發(fā)生在左側(cè)拱肋第一節(jié)段的下層橫腹桿處，在成橋階段則位于右側(cè)橋面格子梁上;最大壓應(yīng)力在不同階段均出現(xiàn)在左側(cè)拱肋第一節(jié)段主拱肋外側(cè)連接處.

3.4? ?拱腳處彎矩

不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載以及恒載作用下隨不同施工階段進(jìn)行的拱腳處彎矩變化關(guān)系曲線如圖12所示.由 圖12分析可知：1）隨各施工階段的進(jìn)行，在重現(xiàn)期20年、40年及100年風(fēng)荷載作用下的拱腳處彎矩均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，各變化趨勢較為一致，在拱肋最大懸臂階段（CS12）時(shí)拱腳處的彎矩值取得最大值，相對于恒載作用下時(shí)并不是在此階段取得最大值，而是在下一拱肋合龍階段（CS13）才取得;? ?2）重現(xiàn)期100年的風(fēng)荷載比恒載作用下的最大彎矩增大約31.2%，表明在拱肋吊裝階段不同等級的風(fēng)荷載對橋梁各部分結(jié)構(gòu)彎矩的影響較大，因此，在風(fēng)荷載作用下，應(yīng)加強(qiáng)穩(wěn)定措施，以防拱肋出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞.

4? ? 結(jié)論

通過Midas/Civil軟件對大跨度鋼管混凝土拱橋施工中在不同等級的風(fēng)荷載作用，不同施工階段的受力及變形進(jìn)行分析，得出的結(jié)論主要有：

1）橋梁施工階段應(yīng)考慮不同等級風(fēng)荷載對各橋梁構(gòu)件施工的影響.隨著不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載的增加，橫橋向位移、軸力及拱腳處彎矩也逐漸增大，橫橋向位移和拱腳彎矩在最大懸臂端階段達(dá)到峰值，之后逐漸減小，而軸力在拱肋合龍時(shí)才取得峰值.

2）橋面吊裝施工階段最大彎矩發(fā)生于拱肋與橋面銜接處位置，在橋面最大懸臂階段時(shí)，拱肋與橋面銜接處的彎矩將取得峰值，因此，在橋梁施工中應(yīng)加強(qiáng)拱肋與橋面銜接處的施工監(jiān)控，以防止強(qiáng)風(fēng)條件下拱肋與橋面形成扭轉(zhuǎn)破壞.

3）同一施工階段拱的拉、壓應(yīng)力均隨不同重現(xiàn)期風(fēng)荷載的增加而增大，但各相對施工階段的增長率在逐漸減小;同一施工階段構(gòu)件所受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于壓應(yīng)力，且拉、壓應(yīng)力均小于鋼管的容許應(yīng)力值.

4）結(jié)合Midas/Civil有限元軟件對橋梁在不同等級風(fēng)荷載作用下的施工各階段分析，可以為橋梁在不同施工階段采取相應(yīng)的監(jiān)控措施提供參考依據(jù)，這對確保施工的安全和提高監(jiān)測效率具有重要意義.

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（責(zé)任編輯：羅小芬、黎? ?婭）