周建軍， 杜憲武， 鄧宗仁， 楊玉平， 何楚韶， 劉運(yùn)思

[1.中鐵北京工程局集團(tuán)(天津)工程有限公司，天津 300000；2.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 湘潭 411201]

0 引言

近年來(lái)，因?yàn)殇摴芑炷凉皹蚓哂袕?qiáng)度高、重量輕、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用于各類(lèi)交通工程之中，其設(shè)計(jì)及施工技術(shù)得到了極大的發(fā)展[1-3]。斜拉扣掛懸臂拼接法在大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋架設(shè)中得了廣泛應(yīng)用，龔子松[4]運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)此進(jìn)行了研究，得到了合理的扣索索力和預(yù)抬高量；張振華[5]對(duì)拱橋線性的控制進(jìn)行了研究，從多個(gè)方面描述了線型控制的原理、對(duì)象和方法， 并經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，效果良好；滿堂支架法因其造價(jià)低、操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛地用于拱橋的施工之中[6-7]。成橋后，施工支架的拆除是施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)此，江紅華[8]引入“中心開(kāi)花，三步兩循環(huán)”的支架拆除方案，成功地用于實(shí)際工程中；趙振華等[9]對(duì)不等跨混凝土連拱橋主拱圈支架拆除進(jìn)行了研究。然而，目前對(duì)于下承式鋼管混凝土拱橋拱圈支架拆除的研究還較為缺乏，優(yōu)化拱圈支架拆除方案，使結(jié)構(gòu)傳力均勻、變形合理，成為亟待解決的問(wèn)題。

本文以東海特大橋?yàn)槔?，建立有限元模型，分析?種不同的支架拆除方案，通過(guò)對(duì)比拱圈各截面的應(yīng)力和位移，確定了較為合理的支架拆除方案，對(duì)同類(lèi)工程具有一定的參考意義。

1 工程概況

東海特大橋主橋布置為(39.55+168+39.55)m的3跨連續(xù)梁-系桿拱，全長(zhǎng)248.7m(含兩側(cè)深端至邊支座中心線各0.8 m)。本橋結(jié)構(gòu)體系為剛性梁、剛性拱，吊桿間距8m，上、下拱肋計(jì)算跨度分別為170.1m和165.75m，設(shè)計(jì)矢高分別為45m和39m。兩榀拱肋的橫向間距為12m，中間共設(shè)9道橫撐，其中拱頂為X型橫撐，拱頂至拱腳設(shè)8道K型橫撐，全橋共設(shè)18組吊桿。上、下鋼管拱軸線均采用懸鏈線，系數(shù)分別為1.05、1.40。

1.1 拱圈支架

臨時(shí)支架采用格構(gòu)柱形式，由L1至L10共19組立柱鋼管及其之間的連接系組成。利用φ325×8的鋼管作為主肢，橫向間距2460mm，縱向間距1500mm。支架頂部采用雙拼45a工鋼作為分配梁，鋼管拱豎向力通過(guò)支墊與分配梁傳遞給格構(gòu)柱，支架立面布置如圖1所示。

圖1 拱圈支架布置示意圖

1.2 拱圈支架拆除方案

拱圈支架的拆除直接影響結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換，不同的拱圈支架拆除方案影響拱圈的應(yīng)力與變形，3種支架拆除方案如表1所示。

表1 拱圈支架拆除方案方案拆除方式方案一第一步:拆L8、L9、L10;第二步:拆L4、L5、L6、L7;第三步:拆除L1、L2、L3。方案二第一步:拆L1、L2、L3;第二步:拆L4、L5、L6、L7;第三步:拆除L8、L9、L10方案三一次性全部拆除

2 橋梁模型構(gòu)建

2.1 結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)一共1248個(gè)單元，拱肋和梁采用梁?jiǎn)卧?lèi)型建模，吊桿及K撐采用桁架單元類(lèi)型建模。模型中共有5種材料類(lèi)型：C55級(jí)混凝土、鋼管混凝土組合材料、strand1860、wire1670以及Q345鋼材。

2.2 邊界條件

模型中共有2種邊界條件：一般支承和彈性連接。梁底施工支架及拱圈支架均采用一般支承模擬，拱腳與拱肋、吊桿與系梁采用彈性連接。具體布置如圖2所示。

2.3 施工階段

模型共分為8個(gè)施工階段，對(duì)于不同的拱圈支架拆除方案，在拆除拱肋支架的步驟中添加子步驟，具體項(xiàng)目及持續(xù)天數(shù)如表2所示。

a)彈性連接

b)一般支承

表2 施工階段施工階段持續(xù)天數(shù)/d梁段A110梁段A210梁段A310吊裝拱肋支架20拆除拱肋支架10張拉吊桿10拆除主梁支架15收縮徐變1 000

2.4 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)表3所示的材料計(jì)算參數(shù)，建立拱橋模型，見(jiàn)圖3。

表3 材料計(jì)算參數(shù)材料彈性模量E/GPa泊松比μ容重/(kN·m-3 )線膨脹系數(shù)C55混凝土35.50.225.00.000 010Q345鋼材206.00.378.50.000 012鋼絞線195.00.378.50.000 012吊桿205.00.378.50.000 012

圖3 拱橋模型

3 結(jié)果與分析

為分析支架拆除過(guò)程中拱圈的受力情況和變形情況，從模型中選取5個(gè)控制點(diǎn)，如圖4所示。為防止拆除過(guò)程中產(chǎn)生偏心荷載，采用對(duì)稱(chēng)拆除的方式，故只需提取半幅拱橋數(shù)據(jù)即可。表4和表5分別為拱圈變形情況和應(yīng)力情況。

圖4 拱圈控制點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

表4 拱圈控制點(diǎn)豎向變形量mm方案步驟12345第一步+0.30+0.21-0.32-0.37-0.44方案一第二步+0.63+0.45-0.78-0.98-1.25第三步+1.08+0.94-1.11-2.0-15.59合計(jì)+2.01+1.60-2.21-3.33-17.28第一步+0.33+0.32-0.37-0.64-1.03方案二第二步+0.61+0.55-0.80-1.25-3.42第三步+0.99+0.81-1.08-1.38-12.64合計(jì)+1.93+1.68-2.25-3.27-17.09方案三+2.12+1.71-2.29-3.40-19.24 注:表中“+”表示向上,“-”表示向下。

由表4可知，3種拆除方案中，1、2、3、4號(hào)控制點(diǎn)的變形總量均相差不大；而在5號(hào)點(diǎn)，即拱圈中點(diǎn)，方案一和方案三的變形量相對(duì)較大，分別為17.28mm和19.24mm，方案二變形量相對(duì)較小，為17.09mm。

從表4可以看出：方案一和方案三的變形量均增加得較為突然，在最后一步拆除的瞬間，拱圈中點(diǎn)的變形量突然急劇增加，增量分別為15.59mm和19.24mm，方案二在最后一步變形量相對(duì)較小，為12.64mm。相比于方案三，方案一和方案二在拆除過(guò)程中變形量相差不大，且均遠(yuǎn)小于方案三。

3.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

表5為拱圈各控制點(diǎn)的應(yīng)力變化情況。從表中可以看出，方案二中3、4號(hào)控制點(diǎn)應(yīng)力水平較高，分別為7.12、5.66MPa，而方案一與方案三各截面應(yīng)力水平相近。這是由于方案二從中間往兩邊拆除的過(guò)程中，拱圈的跨度在逐漸增加，從而造成這兩個(gè)點(diǎn)應(yīng)力急劇增大。

表5 拱圈控制點(diǎn)應(yīng)力MPa方案步驟12345第一步+3.17+2.04-1.22-1.31+3.47方案一第二步+3.04+2.62+1.04+1.13+2.72第三步-2.87-1.98+2.07+2.36-2.45合計(jì)+3.34+2.68+1.89+2.18+3.74第一步-1.98-2.03+0.96+0.93+0.72方案二第二步+1.23+1.35+3.24+2.31+1.42第三步+1.71+1.87+2.92+2.42+1.81合計(jì)+0.96+1.19+7.12+5.66+3.95方案三+3.08+2.84+2.07+2.27+3.88 注:表中“+”表示受壓,“-”表示受拉。

4 討論

本文采用數(shù)值分析方法，對(duì)東海特大系桿拱橋拱圈支架拆除方式展開(kāi)了研究，得到以下結(jié)論：

1)一次性拆除支架會(huì)導(dǎo)致拱圈產(chǎn)生“M”形變形，結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)移比較突然，拱圈整體變形較大，不利于拱橋線型控制；

2)從拱腳向跨中拆除支架由于最后一步相對(duì)跨度較大，會(huì)導(dǎo)致拱圈中點(diǎn)突然產(chǎn)生較大的變形；

3) 從拱圈中點(diǎn)向兩側(cè)拆除支架拱圈整體變形較小，有利于拱橋成橋線型的控制。