王澤能　成魁

摘要：大跨度梁拱組合橋拱肋結(jié)構(gòu)在頂推施工過程中的受力情況復(fù)雜，橫向抗傾覆穩(wěn)定性較差。為確保拱肋結(jié)構(gòu)頂推過程的安全和穩(wěn)定，文章以某大跨度梁拱組合體系橋拱肋頂推施工為例，采用有限元計算方法對頂推施工過程中的拱肋進行研究，提出在拱腳處進行臨時配重來提高頂推施工過程中拱肋的抗傾覆性能，并通過對比三組臨時配重作用下的拱肋受力狀態(tài)以及抗傾覆性能，研究臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及橫向抗傾覆能力的影響。分析結(jié)果表明：對拱腳進行臨時配重后拱肋抗傾覆穩(wěn)定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，同時拱腳臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力及屈曲穩(wěn)定性相對影響較小，該措施的提出也可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：拱肋;抗傾覆穩(wěn)定性;頂推;梁拱體系;有限元模擬

中國分類號：U448.21+6文章標識碼：A180684

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)拱橋作為強梁弱拱體系，通常先施工混凝土連續(xù)梁，其次架設(shè)拱結(jié)構(gòu)?；炷吝B續(xù)梁橋施工大多為掛籃懸臂澆筑，拱肋則可采用支架原位拼裝、原位支架臥拼并豎轉(zhuǎn)合龍和異位拼裝并縱向頂推滑移施工方法。近年來，由于異位拼裝并縱向頂推滑移施工方法有利于控制成拱線形，能夠極大提高施工效率，縮短施工工期，該施工方法得到廣泛的應(yīng)用[1]。目前，現(xiàn)有研究主要針對如何根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)制定合理可行的臨時支撐措施[2]和滑移構(gòu)造設(shè)施[3]，以及如何采取可行有效的監(jiān)控方案等方面，缺少頂推施工過程中拱肋結(jié)構(gòu)受力性能的探討，此外，由于拱肋重心較高，頂推過程中橫向風荷載對拱肋結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性影響很大[4]。

本文以某大跨度梁拱組合體系橋拱肋頂推施工為背景，運用有限元軟件對拱肋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進行研究，分析頂推施工中拱肋橫向抗傾覆穩(wěn)定性能[5]。

1 工程概況

背景橋梁為三孔（72+128+72）m直吊桿體系連續(xù)梁拱橋，拱肋垂直布置，支座中心至梁端0.85 m。系梁橫截面采用單箱雙室變高截面，邊支點斷面高4.0 m，中支點斷面高7.5 m，采用C55混凝土，拱肋為啞鈴型截面，內(nèi)部澆筑C55混凝土，橋型布置如圖1所示。拱肋采用頂推法施工，通過推運車將拱肋頂推到指定位置，具體如圖2所示。

2 梁拱組合橋施工

2.1 施工方案

本橋采用先澆筑主梁后架設(shè)拱肋的施工方法，主橋采用懸澆施工，拱肋采用頂推法施工，通過推運車將拱肋頂推到指定位置。

（1）拱肋拼裝支架

臨時支架立柱鋼管采用[WTBX]426 mm×8 mm鋼管，鋼管立柱之間用C16a槽鋼連接;墩頂采用I32a工字鋼作分配梁;分配梁頂焊接500 mm×1 000 mm×14 mm鋼板作為支撐平臺。墩柱之間采用[WTBX]273 mm×8 mm鋼管連接牢固，以保證整個支撐體系穩(wěn)定。立柱可在拼裝場地拼裝后整體吊裝。吊裝拱肋節(jié)段時，涉及的支架間橫向連接在拆除、吊裝完成后重新安裝固定。

（2）拱肋頂推系統(tǒng)

拱腳處設(shè)置水平拉索，平衡拱腳處產(chǎn)生的水平推力。利用拱腳位置縱向頂推體系進行整體頂推。頂推體系由連接抱箍、楔形鋼箱梁、貝雷片橫梁、桁架小車、臨時拱座等組成，輪箱底部設(shè)置鋼軌和軌道基礎(chǔ)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

拱肋結(jié)構(gòu)在頂推過程中會在外部荷載的沖擊作用下產(chǎn)生屈曲變形，從而降低拱肋結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，目前主要通過以下幾種措施解決上述問題。

（1）拱肋頂推時通過在拱腳處配備水平拉索來平衡拱腳的水平推力，這樣可最大程度上減小拱肋的撐開變形，因頂推過程中只有拱腳水平推力且僅由恒載作用產(chǎn)生，因此可根據(jù)裸拱恒載作用下水平推力[JP+2]作為臨時水平拉索初張力，水平拉索承受的拉力為1 690.4 kN。

（2）在頂推過程中，由于拱肋重心偏高，因此需針對拱肋體系的穩(wěn)定安全性進行驗算，以保障拱肋結(jié)構(gòu)頂推過程中的安全。

（3）在頂推過程中，采取臨時配重措施來確保拱肋結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，在四臺推運車上均布置配重水箱，配重示意如圖3所示。本文通過在拱肋拱腳位置進行不同的荷載配重，結(jié)合有限元對其受力性能和抗傾覆穩(wěn)定性進行對比分析。

3 拱肋結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

3.1 有限元模型

采用有限元軟件建立拱肋在橫向風荷載作用下的空間模型，拱肋間的縱橫向連接平聯(lián)使用Midas Civil的空間梁單元模擬。拱肋之間的水平拉索采用桁架單元模擬，水平拉索的初始拉力根據(jù)恒載作用下支座承受的水平力取值，拱肋的空間有限元模型如圖4所示。

3.2 荷載及荷載組合

3.2.1 荷載計算

拱肋結(jié)構(gòu)在頂推過程中主要承受拱肋結(jié)構(gòu)自身重量和作用在拱肋上的風荷載，恒載主要包括拱肋自重、橫撐及斜撐自重;橫向風荷載主要根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》規(guī)定計算，具體公式如下：

3.2.2 荷載效應(yīng)組合

荷載效應(yīng)組合根據(jù)《公路與鐵路兩用橋梁通用技術(shù)要求》第5.1.3條可知：

（1）風荷載作用下抗傾覆穩(wěn)定性最不利效益組合：1.0×拱肋自重+1.1×橫向風荷載+1.1×縱向風荷載;

（2）作用基本組合：1.2×拱肋自重+1.1×橫向風荷載+1.1×縱向風荷載;

（3）正常使用狀態(tài)組合：1.0×拱肋自重+0.75×橫向風荷載+0.75×縱向風荷載。

4 拱肋力學(xué)性能分析

4.1 拱肋內(nèi)力分析

4.1.1 拱肋應(yīng)力分析驗算

根據(jù)拱肋頂推實際過程中的受力情況，通過將上述荷載施加到有限元模型中，分別在拱腳位置處布置幾組不同配重，對比分析不同臨時配重前后拱肋應(yīng)力變化情況，其變化情況如表2所示。

由表3可得，拱肋在頂推時，對拱腳進行臨時配重后拱肋結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化幅度很小，且應(yīng)力都小于規(guī)范允許限值，因此可知拱腳臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大。

4.1.2 臨時拱座支反力計算

根據(jù)有限元模型分析頂推靜止狀態(tài)的拱肋在風荷載作用下的受力，得到臨時拱座支反力，各支反力計算結(jié)果如表3所示。

4.2 拱肋橫向風荷載作用下抗傾覆計算

4.2.1 計算方法

通過有限元軟件對拱肋頂推施工做靜力分析，按最不利荷載布置（本工程選取風荷載作用下的荷載組合），計算得到此狀態(tài)下的支座反力。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362[CD*2]2018）第4.1.8條進行拱肋結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算，計算公式如下：

根據(jù)計算結(jié)果可知，在頂推期間拱肋抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)雖然小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》所要求的2.5，但安全儲備不夠。

本文提出在拱腳處進行配重來提高頂推施工過程中拱肋的抗傾覆性能，通過對比三組臨時配重作用下拱肋的抗傾覆性能，分析在最不利工況下拱肋結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)與配重荷載之間的關(guān)系，不同配重荷載下拱肋抗傾覆安全系數(shù)變化如表4所示，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨配重荷載變化的規(guī)律如圖5所示。

綜上所得，在拱腳臨時配重后，拱肋抗傾覆穩(wěn)定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，且抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨配重荷載增大而增大，由此可知在拱腳位置處進行配重以提高拱肋結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性的方法是可行的。

4.3 橫向風荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

拱肋在頂推施工過程中，由于運輸小車的臨時啟動或制動，將會導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此對拱肋進行空間穩(wěn)定性分析，對比不同配重下拱肋各階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)以及失穩(wěn)形態(tài)，然后據(jù)此評價支架的穩(wěn)定性，具體結(jié)果見表5。

根據(jù)表5可知，不同臨時配重作用下拱肋各階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)都大于設(shè)計限值4，但拱腳配重后對拱肋屈曲穩(wěn)定性影響不大。由此可見，采取拱腳臨時配重措施后拱肋頂推時的穩(wěn)定性能夠滿足施工中的要求。

5 結(jié)語

本文針對某大跨度梁拱組合橋頂推施工拱肋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進行研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）通過有限元軟件分析可知，對拱腳進行臨時配重后拱肋結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化幅度很小，并且彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力都小于規(guī)范限值，因此可知拱腳臨時配重對拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大。

（2）在拱腳臨時配重后，拱肋抗傾覆穩(wěn)定性有所改善，在拱腳臨時配重350 kN時，拱肋抗傾覆性能最大可提高29.2%，且抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨配重荷載增大而增大，因此拱腳位置處進行配重提高拱肋結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定性的方法是可行的。

（3）不同臨時配重作用下拱肋各階模態(tài)的臨界荷載系數(shù)都大于設(shè)計限值4，但拱腳配重后對拱肋屈曲穩(wěn)定性影響不大，因此可知采取拱腳臨時配重措施后拱肋頂推時的穩(wěn)定性能夠滿足施工中的要求。

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