朱紅亮，崔鳳坤，何　磊，徐　岳

（1.常州市航道管理處，江蘇 常州 213004；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

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鋼管混凝土系桿拱橋整體吊裝有限元分析

朱紅亮1，崔鳳坤2，何磊2，徐岳2

（1.常州市航道管理處，江蘇 常州 213004；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘要：為準(zhǔn)確掌握鋼管混凝土系桿拱橋整體吊裝過程中的受力狀況，文章基于空間有限元理論，對某下承式鋼管混凝土系桿拱橋整體吊裝過程中的受力及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)受力合理，但拱肋吊點(diǎn)位置處受力較不利，應(yīng)采取一定的構(gòu)造措施。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土系桿拱橋；整體吊裝；有限元分析；建模方法

鋼管混凝土系桿拱橋具有造型優(yōu)美、施工方便、承載能力高和抗震性能好等諸多優(yōu)勢，在我國公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)鋼管混凝土系桿拱橋跨越既有高等級航道時，施工中長時間封鎖交通不僅影響航道通行，同時也造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。為了降低橋梁施工對航運(yùn)的影響，雙拱肋-系桿勁性骨架整體吊裝施工應(yīng)運(yùn)而生［1］。

與傳統(tǒng)單片拱肋吊裝工法相比，雙拱肋-系桿勁性骨架整體吊裝工法將所有鋼構(gòu)件一次吊裝就位，整體化吊裝程度更高，極大地簡化了鋼管混凝土系桿拱橋的施工工序，進(jìn)一步縮短施工周期。然而，雙拱肋-系桿勁性骨架屬于三維空間結(jié)構(gòu)，吊裝過程中結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，內(nèi)力和線形變化規(guī)律不宜掌握，故常采用有限元手段對鋼管混凝土系桿拱橋的整體吊裝過程進(jìn)行數(shù)值模擬［2-3］。但在建模過程中，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致建模中細(xì)微的差別，會對施工階段和成橋后的內(nèi)力、線形計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，有必要對鋼管混凝土系桿拱橋整體吊裝模型的合理建模方法進(jìn)行探究，以便準(zhǔn)確地揭示鋼管混凝土系桿拱橋整體吊裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律，保證整體吊裝過程的安全性。

1　工程概況

某下承式鋼管混凝土系桿拱橋計算跨徑為96 m，計算矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線，主橋立面布置如圖1所示。系梁采用箱形截面，梁高2.0 m，寬1.2 m，拱腳處加寬至1.4 m，加高至3.3 m，內(nèi)部設(shè)有勁性骨架；拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，每個鋼管外徑1.0 m，鋼管及腹板壁厚14 mm，鋼管內(nèi)充C40微膨脹混凝土，腹腔中不填充混凝土，拱肋高度為2.4 m。每片拱設(shè)間距為5.0 m的吊桿16根，吊桿為剛性吊桿，采用PESFD7-61新型低應(yīng)力防腐拉索；風(fēng)撐采用5道一字形鋼管風(fēng)撐，2道K字形風(fēng)撐，鋼管壁厚為14 mm。端橫梁高度為2.0 m，中橫梁高度為1.35 m，寬0.6 m，兩側(cè)設(shè)牛腿以支撐行車道板；行車道板采用25 cm高實(shí)心板。橋梁橫截面及系桿構(gòu)造分別如圖2、圖3所示。

圖1　主橋立面示意圖

圖2　橋梁橫斷面構(gòu)造（單位：cm）

圖3　系桿構(gòu)造（單位：mm）

2　施工方案

該橋位于京杭大運(yùn)河樞紐位置，航運(yùn)十分繁忙。為了盡可能降低橋梁施工對通航的影響，主橋采用雙拱肋-系桿勁性骨架整體吊裝工法施工，整體吊裝結(jié)構(gòu)在岸邊拼裝就位后通過2艘浮吊船吊裝就位，半幅橋的起吊重量為437.7 t，整體吊裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　雙拱肋-系桿勁性骨架整體吊裝結(jié)構(gòu)

由圖4可知，整體吊裝結(jié)構(gòu)通常由2片拱肋、風(fēng)撐、吊桿鋼套管、系桿勁性骨架和臨時橫梁組成。為了減少工人空中作業(yè)量，在結(jié)構(gòu)拼裝過程中，同時進(jìn)行系桿鋼筋綁扎、系桿預(yù)應(yīng)力波紋管、內(nèi)芯模及底模的安裝。在吊裝開始前，需要對雙拱肋-系桿勁性骨架整體吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢測，檢查結(jié)構(gòu)尺寸及焊接質(zhì)量是否滿足要求。

雙拱肋-系桿勁性骨架整體吊裝主要工序如下［4］：

（1）試吊。在正式起吊之前，整體吊裝結(jié)構(gòu)應(yīng)至少進(jìn)行3次試吊，每次試吊步驟為：吊離地面20 cm，靜置20 min，詳細(xì)監(jiān)測校核結(jié)構(gòu)變形、焊縫完整性、鋼絲繩及浮吊船的技術(shù)狀況。

（2）起吊、運(yùn)輸。試吊過程中各項檢查指標(biāo)合格后可進(jìn)行正式起吊。起吊時，浮吊船主桅桿吊臂角度應(yīng)控制在55°~65°，通過吊鉤緩慢提升整體吊裝結(jié)構(gòu)。浮吊船的航行速度不應(yīng)超過5 km/h，以免慣性過大不便調(diào)整船體。

（3）安裝就位。當(dāng)浮吊船行駛至橋位指定位置時，指揮浮吊船拋錨減速，停泊穩(wěn)定后勻速降落整體吊裝結(jié)構(gòu)，就位后立即焊接支座和臨時鋼支撐，再將4個方向的風(fēng)纜繩全部安裝就位，用手拉葫蘆收緊風(fēng)纜繩后方可松開吊鉤。

3　有限元建模

3.1單元選擇及結(jié)構(gòu)離散

建立整體吊裝空間有限元模型時，吊桿鋼套管和吊裝用鋼絲繩采用桁架單元，拱肋、風(fēng)撐、系桿和臨時橫梁采用梁單元。結(jié)構(gòu)離散時，先劃分各桿件交點(diǎn)，然后劃分邊界約束點(diǎn)，最后劃分中心截面節(jié)點(diǎn)，同時將較長的單元適當(dāng)分割為多個單元，以提高計算精度。整體吊裝施工階段有限元模型建立節(jié)點(diǎn)375個，桁架單元32個，梁單元499個。32個桁架單元為鋼套管吊桿單元；499個梁單元包括8個臨時橫梁單元、8個吊裝鋼絲繩單元、36個風(fēng)撐單元、76個拱肋單元、168個系桿單元和203個臨時橫向聯(lián)系單元，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

圖5　整體吊裝階段結(jié)構(gòu)離散模型

3.2邊界條件

整體吊裝時，通過起吊鋼絲繩對拱肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向約束，浮吊掛鉤點(diǎn)即為整體起吊點(diǎn)。整體吊裝時約束起吊點(diǎn)的X、Y和Z方向的平動和轉(zhuǎn)動，釋放鋼絲繩與拱肋連接處的三向轉(zhuǎn)動，系桿與吊桿鉸接、系桿與臨時橫梁之間的約束采用彈性連接中的剛性化處理。整體吊裝階段邊界條件如圖5所示，約束方式見表1、表2和表3。

3.3作用荷載

在整體吊裝過程中，所有荷載的動載系數(shù)均取1.1，本階段激活的荷載有：（1)結(jié)構(gòu)自重；（2)系桿加勁構(gòu)造荷載5.14 kN/m以及系桿臨時荷載1.52 kN/m；（3)拱肋加勁構(gòu)造荷載1.47 kN/m以及拱肋臨時荷載0.15 kN/m。

表1　整體吊裝階段起吊點(diǎn)邊界條件

表2　整體吊裝階段釋放梁端約束

表3　整體吊裝階段臨時橫梁與系桿鏈接方式

4　計算結(jié)果及分析

4.1吊點(diǎn)位置及整體吊裝變形

吊點(diǎn)位置對整體吊裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形有較大影響，文獻(xiàn)［1］ 提出了結(jié)構(gòu)變形向量二范數(shù)法確定整體吊裝結(jié)構(gòu)的合理吊點(diǎn)位置。選擇鋼管拱肋、系桿勁性骨架和吊桿鋼套管為主要構(gòu)件，將主要構(gòu)件關(guān)鍵截面位置處的變形組成變形向量，并進(jìn)行二范數(shù)運(yùn)算，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：A為結(jié)構(gòu)變形向量；xij為第i個構(gòu)件j號位置的縱橋向位移；yij為第i個構(gòu)件j號位置的橫橋向位移；zij為第i個構(gòu)件j號位置的豎向位移。

由式（1）可確定整體吊裝結(jié)構(gòu)的合理吊點(diǎn)位置。限于篇幅，本文僅對合理吊點(diǎn)位置下的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行研究。基于第3節(jié)的建模方法及理論，通過有限元計算可得，在整體吊裝過程中，雙拱肋-系桿勁性骨架結(jié)構(gòu)的變形情況如圖6所示。

由圖6可知，在整體吊裝過程中，結(jié)構(gòu)整體變形比較均勻。其中，拱肋的最大撓度為52.2 mm，系桿的最大撓度為52.4 mm，均發(fā)生在L/8處，且小于設(shè)計規(guī)定的限值（L/800=120 mm），結(jié)構(gòu)變形滿足設(shè)計要求［5-6］。

圖6　整體吊裝階段結(jié)構(gòu)變形

4.2整體吊裝內(nèi)力

通過有限元分析，雙拱肋-系桿勁性骨架結(jié)構(gòu)在整體吊裝階段的軸力分布如圖7所示。

圖7　整體吊裝階段結(jié)構(gòu)軸力圖

由圖7可知，在整體吊裝過程中，各構(gòu)件軸力分布比較均勻，其中拱肋、鋼絲繩、臨時橫梁均處于受拉狀態(tài)，吊桿鋼套管和系桿均處于受壓狀態(tài)。軸向拉力的最大值位于鋼絲繩上，為987 kN；軸向壓力的最大值位于系桿上，為443 kN。

雙拱肋-系桿勁性骨架結(jié)構(gòu)在整體吊裝階段的彎矩分布如圖8所示。

圖8　整體吊裝階段結(jié)構(gòu)彎矩圖

由圖8可知，在整體吊裝過程中，空鋼管拱肋所承受的彎矩遠(yuǎn)大于系桿勁性骨架、臨時橫梁及風(fēng)撐等構(gòu)件承受的彎矩。結(jié)構(gòu)最大負(fù)彎矩發(fā)生在靠近拱頂?shù)牡觞c(diǎn)位置，為1 263 kN·m；結(jié)構(gòu)最大正彎矩發(fā)生在L/8拱肋處，為1 222 kN·m。分析表明，上側(cè)吊點(diǎn)受力相對不利，考慮到吊點(diǎn)構(gòu)造也是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為提高吊點(diǎn)處拱肋的剛度，防止局部變形與破壞發(fā)生［7］，在吊點(diǎn)拱肋處設(shè)置加勁鋼板，吊點(diǎn)處加勁構(gòu)造如圖9所示。

圖9　吊點(diǎn)處拱肋加勁構(gòu)造（單位：mm）

4.3整體吊裝穩(wěn)定性

雙拱肋-系桿勁性骨架結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，在一些情況下有可能發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，因此應(yīng)對其空間穩(wěn)定性進(jìn)行研究［8］。通過有限元計算，結(jié)構(gòu)在整體吊裝階段的一階失穩(wěn)模態(tài)為面外失穩(wěn)，如圖10所示。

將鋼管拱及勁性骨架系桿以及臨時結(jié)構(gòu)的自重（已考慮1.1倍的放大系數(shù)）作為可變荷載，由圖10可知，此時鋼管拱及勁性骨架的一階失穩(wěn)模態(tài)為面外失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)為31.88，大于設(shè)計限定值4.0，表明結(jié)構(gòu)吊裝階段整體穩(wěn)定性滿足要求。

圖10　整體吊裝階段結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)

雙拱肋-系桿勁性骨架結(jié)構(gòu)在整體吊裝過程中，系桿構(gòu)件處于壓彎狀態(tài)，因此應(yīng)對系桿構(gòu)件比較突出的面內(nèi)穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，對系桿構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，計算可知σ=65.82 MPa＜［σ］=200 MPa，表明在整體吊裝過程中，系桿構(gòu)件的面內(nèi)性穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5　結(jié)語

本文基于空間有限元理論，研究了雙拱肋-系桿勁性骨架結(jié)構(gòu)整體吊裝階段的建模方法，明確了建模時結(jié)構(gòu)的單元選擇、荷載和邊界條件的處理方法，并對某下承式鋼管混凝土系桿拱橋整體吊裝過程中的靜力及穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究。計算分析結(jié)果表明：在整體吊裝過程中，雙拱肋-系桿勁性骨架結(jié)構(gòu)整體受力比較合理，具有較高的安全儲備，但拱肋吊點(diǎn)位置處受力相對不利，應(yīng)采取一定的構(gòu)造措施，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞。

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Finite Element Analysis for CFST Tied-arch Bridge with Integral Hoisting

Zhu Hongliang1， Cui Fengkun2， He Lei2， Xu Yue2
（1. Changzhou Channel Management Agency， Changzhou 213004， China；2. Highway School， Chang'an University， Xi'an 710064， China）

Abstract:In this paper， the stress and stability of a CFST tied arch bridge in the process of integral hoisting are analyzed based on spatial finite element theory to understand it's stress station accurately. Results show that the structure stress is in reasonable state， but there is unreasonable stress in arch rib and some constructure measures should be taken.

Key words:CFST tied-arc bridge； integral hoisting； finite element analysis； modeling method

中圖分類號：U448.22+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–0047–03

收稿日期：（2016-05-05）

作者簡介：朱紅亮（1963-），男，江蘇常州人，高級工程師，主要從事公路橋梁和高速公路的施工管理工作。