王 鋒 王平利

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300142； 2.中交一航局第四工程有限公司, 天津 300456)

近十幾年來,勁性骨架混凝土拱橋在我國發(fā)展迅速,它是利用型鋼、鋼管或鋼管混凝土作勁性骨架,然后在其基礎(chǔ)上搭建模板分段分層澆筑混凝土,形成的勁性骨架混凝土拱橋。這種橋型充分發(fā)揮了各自材料的特長,克服了大跨拱橋的施工困難,跨越能力很大。在基礎(chǔ)較好的峽谷地區(qū),實(shí)現(xiàn)一跨過谷,具有不可比擬的優(yōu)勢。拱肋的形成要經(jīng)過一系列體系轉(zhuǎn)換,其受力非常復(fù)雜,往往控制設(shè)計(jì)。本文以宜萬線鐵路上某橋?yàn)槔?應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS做空間有限元精細(xì)模擬,進(jìn)而對結(jié)構(gòu)安全性作出綜合評價(jià),為類似拱橋的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

該大橋位于直線上,橋上縱坡為17.7‰,為Ⅰ級雙線鐵路(預(yù)留復(fù)線),線間距4.2 m,主橋一次雙線,是一座1-178 m跨峽谷的上承式勁性鋼管混凝土骨架鋼筋混凝土拱橋(見圖1)。拱肋為勁性骨架鋼筋混凝土箱型,拱腳有3 m長實(shí)心段,兩片分離拱肋采用提籃式布置,傾角為5.057°,拱頂內(nèi)傾3.5 m。拱立面內(nèi)矢高為39.55 m,拱肋軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=2.814 m。拱上立柱為雙柱墩,在拱肋立柱及拱頂設(shè)橫撐。拱頂47.5 m長的一段做成框架,每隔9.5 m設(shè)一道斷縫,兩側(cè)各采用1聯(lián)5×14 m連續(xù)梁。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)總布置(單位:cm)

2 施工順序

本橋施工的順序?yàn)椋孩俟袄叩氖┕?；②拱上立柱的施工；③拱上框架的施工；④腳手架上施工橋面縱梁。其中,拱肋的施工步驟又分為：先用纜索吊裝施工鋼管骨架,然后灌注管內(nèi)混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再分環(huán)灌注外包混凝土。按結(jié)構(gòu)性質(zhì),拱肋將經(jīng)歷三種狀態(tài)[7]。

(1)勁性骨架狀態(tài)：在泵送管內(nèi)混凝土?xí)r,承重結(jié)構(gòu)只有鋼結(jié)構(gòu),而混凝土只作為荷載,不計(jì)抗力。當(dāng)混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求時(shí),鋼管和混凝土共同工作,成為剛管混凝土勁性骨架。

(2)勁性骨架的一部分被混凝土包裹的狀態(tài)：當(dāng)混凝土還未硬凝時(shí),混凝土只計(jì)重量,不計(jì)抗力。但當(dāng)混凝土硬凝后,由于混凝土的截面比骨架桿件的截面大得多,結(jié)構(gòu)受力主要靠混凝土,而骨架桿件的作用就變得次要。

(3)成拱狀態(tài)(拱肋三環(huán)混凝土澆注完成)：勁性骨架則逐步成為拱圈截面混凝土的永久性配筋。

3 計(jì)算模型

本文采用大型通用軟件ANSYS的“單元生死技術(shù)”[1-2]模擬本橋的施工過程,其優(yōu)點(diǎn)是只需進(jìn)行一次分析模型的建立,即在分析前一次性將成橋狀態(tài)的全橋分析模型建立好,然后根據(jù)各個(gè)階段的施工狀況，通過激活或殺死單元以及設(shè)置相應(yīng)的荷載步來模擬橋梁施工全過程。在分析過程中，可以通過局部處理將各個(gè)施工工況的單元內(nèi)力和結(jié)點(diǎn)位移隨時(shí)保存,供下一施工階段使用。

3.1 單元類型的選擇

目前在大部分通用有限元程序中,可以用于模擬鋼管混凝土勁性骨架拱橋的單元類型有若干種。不同種類單元,在計(jì)算精度、構(gòu)建模型的難易程度和計(jì)算量大小等諸方面存在較大差異。因此,如何針對鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工過程中各部位受力特點(diǎn)選擇相應(yīng)的單元類型是結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵。

本文主要基于以下原則來選擇單元：①選取的單元必須能最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的受力特性；

②必須保證計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度；

③有限元模型建立要盡量簡便,計(jì)算工作量要盡量小,進(jìn)行結(jié)果處理時(shí)也要比較方便。因此,在該大橋施工過程的受力分析中共用到了ANSYS軟件中的4種單元類型[2～6]。

①空間曲梁單元(beaml89)：主要模擬桁架拱肋的空鋼管以及混凝土灌注后鋼管內(nèi)的混凝土。

②空間直梁單元(beam188)：模擬鋼管桁架內(nèi)的所有弦桿,拱肋間的橫撐以及拱上立柱。

③殼單元(shell63)：模擬橋面縱梁以及拱頂框架。

④8結(jié)點(diǎn)的塊體單元(solid65)：模擬拱肋鋼骨架的外包混凝土。

3.2 有限元模型

在有限元建模過程中,把鋼管混凝土看成鋼管與混凝土的組合[6],生成共節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)單元,各自的材料特性與實(shí)常數(shù)根據(jù)實(shí)際情況取定。這種方法中，鋼單元和混凝土單元是分開的,便于模擬施工過程。鋼管內(nèi)混凝土在未達(dá)到強(qiáng)度時(shí),僅作為荷載作用于鋼管上,按均布荷載進(jìn)行處理；達(dá)到強(qiáng)度要求后,考慮混凝土的抗力,但不考慮鋼管對管內(nèi)混凝土的套箍作用。

外包混凝土和勁性骨架分別用塊體元和空間梁元進(jìn)行模擬,它們之間的共同作用通過共節(jié)點(diǎn)模擬。計(jì)算模型的選定過程,充分考慮了計(jì)算簡圖與實(shí)橋工作狀態(tài)的一致性,主要體現(xiàn)在：

(1)骨架結(jié)構(gòu)的桿件布置、連接情況、截面尺寸均保持與設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑那闆r相同,沒有添舍任何構(gòu)件,也未改變各結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)位置,計(jì)算簡圖與提供的設(shè)計(jì)圖一致。

(2)骨架外包混凝土采用塊體單元模擬,保證了計(jì)算精度。

(3)把施工活載換算成集中力施加到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,并且考慮了風(fēng)荷載,風(fēng)荷載按照鐵路橋涵基本規(guī)范計(jì)入,主橋施工過程中采用極大風(fēng)速V=25 m/s,通過計(jì)算W=713 Pa。在每一個(gè)施工階段內(nèi),用荷載增量法進(jìn)行分析。施工過程的有限元模型見圖2～圖5。

圖2 勁性骨架有限元模型

圖3 施工過程中的有限元局部

圖4 拱肋施工完畢后的模型

圖5 全橋施工完畢后的模型

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性而不考慮材料非線性。限于篇幅僅列出典型階段的結(jié)果。骨架鋼管應(yīng)力見圖7～圖10,其中1號～4號鋼管位置見圖6所示。拱肋混凝土橫截面正應(yīng)力見圖11～圖13。

圖6 拱肋鋼管編號

圖7 灌注上弦混凝土?xí)r拱肋鋼管應(yīng)力

圖8 灌注完底板時(shí)拱肋鋼管應(yīng)力

圖9 灌注完腹板時(shí)拱肋鋼管應(yīng)力

圖10 灌注完頂板時(shí)拱肋鋼管應(yīng)力

圖11 灌注完腹板時(shí)拱肋混凝土應(yīng)力

圖12 灌注完頂板時(shí)拱肋混凝土應(yīng)力

4.2 結(jié)果分析

(1)拱肋骨架鋼管除2號鋼管拱腳局部出現(xiàn)拉應(yīng)力外,均處于受壓狀態(tài)；在施工同一環(huán)外包混凝土?xí)r,都是隨著施工階段的增長壓應(yīng)力增加。

圖13 恒載+雙線滿布活載作用下拱肋混凝土應(yīng)力

(2)施工第一環(huán)混凝土?xí)r鋼管應(yīng)力增長比較快；第二環(huán)和第三環(huán)混凝土施工時(shí),由于前一環(huán)混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求，大大增加了受力面積,施工荷載主要由混凝土承擔(dān),使得鋼管應(yīng)力變化很小。

(3)拱肋混凝土在施工過程中均處于受壓狀態(tài),底板混凝土壓應(yīng)力最大。隨著施工的進(jìn)展，底板混凝土壓應(yīng)力逐漸增加。成橋后在恒載+雙線滿布活載下，混凝土最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上坡端拱腳實(shí)心段頂部的內(nèi)側(cè)角點(diǎn),最大值為-11.1 MPa,小于C50混凝土的極限強(qiáng)度,拱肋底板混凝土處于受力安全狀態(tài)。

5 結(jié)束語

(1)勁性骨架鋼管和外包混凝土均處于彈性階段,選擇的材料本構(gòu)關(guān)系比較合理。

(2)勁性骨架在拱圈外包混凝土分環(huán)施工過程中的作用逐漸減弱。從分析中可以看出:在拱圈底板混凝土參加工作后,勁性骨架的作用就很小了。

(3)拱肋混凝土整個(gè)施工過程均處于受壓狀態(tài),說明設(shè)計(jì)選擇的拱肋曲線比較合理。

(4)在設(shè)計(jì)荷載作用下,拱肋混凝土的壓應(yīng)力呈現(xiàn)出越靠近拱腳應(yīng)力越大的趨勢,從材料均勻受力的角度看,還可以進(jìn)一步優(yōu)化截面。

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