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        高速鐵路(90+200+90)m連續(xù)剛構(gòu)拱拱肋施工方法研究

        2021-07-06 10:40:08傅安民
        鐵道建筑 2021年6期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)體吊桿內(nèi)力

        傅安民

        中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津300308

        在橋梁工程中,不同的施工方法對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系、荷載類型和受力特點(diǎn)各不相同,因此橋梁設(shè)計(jì)時應(yīng)對成橋后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算,還須考慮相應(yīng)施工方法,以便準(zhǔn)確模擬橋梁施工階段和運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)體系和受力特點(diǎn),保證橋梁施工安全與健康運(yùn)營。大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋拱肋的施工方法主要有支架施工法和轉(zhuǎn)體施工法。文獻(xiàn)[1]對豎向轉(zhuǎn)體法拱肋架設(shè)、拱肋混凝土泵送順序等主要施工過程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]提出了一種新型鋼-混凝土組合拱橋的豎向轉(zhuǎn)體體系,并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行了受力分析。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)闡述了鋼管拱豎向轉(zhuǎn)體施工方案、安裝方法及同步提升豎向轉(zhuǎn)體施工的控制要點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]對采用貝雷架體系搭建不同結(jié)構(gòu)形式的拱肋支架方案進(jìn)行了優(yōu)化和研究。文獻(xiàn)[5]對施工過程中鋼管拱肋支架的搭設(shè)安裝、鋼管拱肋混凝土的灌注與拱肋支架拆除的施工順序進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]介紹了橋面少支架法施工工藝、施工步驟和施工控制要點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]提出了大跨度簡支拱支架施工法的施工方案設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8]對一座鋼管混凝土拱橋施工方法構(gòu)建了以成本、工期、技術(shù)可行性、施工條件、環(huán)境保護(hù)五大因素為評價指標(biāo)體系的層次評價模型,確定了纜索吊裝法為相對較優(yōu)的施工方案。文獻(xiàn)[9]提出了先支架拼裝再豎向轉(zhuǎn)體合龍的方案,通過方案比選,采用單拱肋和雙拱肋單元整體吊裝相結(jié)合的纜扣法施工方案。文獻(xiàn)[10-11]從施工安全性、施工工期、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)澆支架的受力性能和保證拱肋節(jié)段拼裝精度、線形控制等方面確定了豎向轉(zhuǎn)體法為較優(yōu)的施工方案。文獻(xiàn)[12]對比分析了支架拼裝和豎向轉(zhuǎn)體兩種方法在施工過程中的內(nèi)力、應(yīng)力及豎向位移。

        上述文獻(xiàn)主要對拱肋某一種施工方法的施工技術(shù)、施工步驟、關(guān)鍵部位受力進(jìn)行研究,或從施工安全性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性等對拱肋施工方法進(jìn)行對比研究,而關(guān)于支架施工和豎向轉(zhuǎn)體施工方法對拱肋混凝土和拱肋鋼管受力、變形的影響分析較少。

        本文以一座高速鐵路大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱為例,采用MIDAS/Civil模擬施工過程,對支架施工和豎向轉(zhuǎn)體拱肋施工方法下施工階段和運(yùn)營階段拱肋混凝土和拱肋鋼管的內(nèi)力、應(yīng)力、位移進(jìn)行對比分析。

        1 工程概況

        一座高速鐵路橋梁在景德鎮(zhèn)內(nèi)跨越昌江,主橋上部結(jié)構(gòu)類型為(90+200+90)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)速度350 km/h,ZK活載,雙線線間距5 m,軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道,位于直線-9.5‰~7.5‰的縱坡上。環(huán)境類別為碳化環(huán)境,作用等級為T2級,年平均相對濕度78%。橋址處地震設(shè)防烈度Ⅵ度,地震動峰值加速度0.05g。采用先梁后拱的施工方法,即在主梁掛籃懸臂澆筑施工完成后再進(jìn)行拱肋的施工。主橋橋型布置如圖1所示。

        圖1(90+200+90)m連續(xù)剛構(gòu)拱橋型布置(單位:m)

        主梁采用單箱雙室變高度直腹板箱形截面,中支點(diǎn)處梁高11.5 m,邊跨直線段和跨中直線段梁高5 m,梁底下緣按二次拋物線變化。主梁頂寬一般段13.2m,中支點(diǎn)處考慮拱腳影響,主梁頂寬線性變化為15.9 m,底寬均為10.8 m。主墩采用雙肢薄壁墩,為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),雙肢薄壁墩中心間距6.4 m,壁厚2.0 m,2#、3#墩墩高均為27 m。拱肋采用豎直平行鋼管混凝土啞鈴拱(圖2),從橋面開始起拱,兩拱肋中心距11.9 m,拱肋立面矢高40 m,計(jì)算跨度為200 m,矢跨比為1/5,拱軸線為二次拋物線。拱肋高3.3 m,拱肋鋼管直徑1.2 m,壁厚為20、24 mm,腹板壁厚16 mm。拱肋鋼管及腹腔內(nèi)灌注混凝土。拱肋間設(shè)置11道桁架式橫撐,橫撐為空鋼管,內(nèi)部不填充混凝土。吊桿采用整束擠壓鋼絞線,吊桿縱向間距9.0 m,共設(shè)20對縱向雙吊桿。拱腳橫向?qū)?.9 m,橫向兩側(cè)邊緣距離拱肋鋼管0.35 m。

        圖2(90+200+90)m連續(xù)剛構(gòu)拱拱肋布置(單位:cm)

        2 有限元模型

        采用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行模擬計(jì)算,全橋共劃分為1 893個單元,1 338個節(jié)點(diǎn)。主梁、橋墩、承臺、拱腳、拱肋、橫撐各桿件均采用三維梁單元進(jìn)行模擬。拱肋采用啞鈴形截面,鋼管內(nèi)部填充混凝土,采用雙單元、共節(jié)點(diǎn)的方法模擬鋼管混凝土拱肋。吊桿采用桁架單元模擬,僅考慮軸向的拉伸剛度。

        主梁、拱腳均采用C60混凝土,拱肋采用C55自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土,主墩墩頂以下2.2 m范圍采用C60混凝土,并同主梁一起澆筑,其余部分采用C50混凝土。拱肋鋼管、橫撐采用Q345qD鋼材,吊桿采用整束擠壓鋼絞線吊桿。主梁、拱肋混凝土、主墩、拱腳、拱肋鋼材的重度按結(jié)構(gòu)實(shí)際重量進(jìn)行換算,分別取26.5、24.0、27.0、29.1、95.2 kN/m3,彈性模量、泊松比及其余結(jié)構(gòu)的重度均按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求考慮。主梁、拱肋混凝土收縮徐變按JTGD62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算,其中主梁相對濕度根據(jù)氣象資料取78%,拱肋混凝土相對濕度考慮所處環(huán)境予以折減,取90%。

        主梁與吊桿之間,拱肋與橫撐之間的連接均采用彈性連接中的剛性連接進(jìn)行模擬,主梁與主墩之間的連接采用主從節(jié)點(diǎn)約束模擬。主墩承臺底采用六自由度的節(jié)點(diǎn)彈性支承來模擬樁-土相互作用。

        3 拱肋施工方法模擬

        在MIDAS/Civil中模擬大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋拱肋支架施工和豎向轉(zhuǎn)體施工,并選取拱腳、拱肋變截面(距拱腳6 m處)、1/4跨和拱頂四個位置的內(nèi)力、應(yīng)力及位移進(jìn)行對比分析。

        3.1 支架施工法

        ①施加橋面臨時荷載階段,模擬拼裝拱肋用支架重量;②拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段,僅模擬拱肋在支架上全部焊接完成后的狀態(tài);③施加拱肋混凝土濕重階段,模擬泵送拱肋混凝土過程,但混凝土還無法承受外荷載作用;④拱肋混凝土成型階段,模擬拱肋混凝土成型后能承受外荷載的狀態(tài);⑤拱肋支架移除階段,模擬移除拱肋支架的過程,即鈍化拱肋節(jié)點(diǎn)彈性支承及拱肋支架重量。

        3.2 豎向轉(zhuǎn)體法

        ①施加橋面臨時荷載階段,模擬拼裝拱肋用臨時支架及拱肋鋼管、橫撐等重量;②拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段,僅模擬拱肋豎向轉(zhuǎn)體并合龍后的拱肋就位狀態(tài),省略了拱肋豎轉(zhuǎn)、合龍等過程;③施加拱肋混凝土濕重階段,模擬泵送拱肋混凝土過程,但混凝土還無法承受外荷載作用,同時鈍化拼裝拱肋用臨時支架重量;④拱肋混凝土成型階段,模擬拱肋混凝土成型后能承受外荷載的狀態(tài)。

        4 施工階段拱肋施工方法分析

        取拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝、施加拱肋混凝土濕重、拱肋混凝土成型、拱肋支架移除等施工階段進(jìn)行拱肋施工方法分析??紤]到拱肋施工是較為靠前的一個施工階段,后續(xù)施工階段拱肋受力是否會受拱肋施工方法的影響還須進(jìn)一步研究。因此,增加吊桿張拉結(jié)束階段即安裝吊桿D10階段,對比分析拱肋鋼管和拱肋混凝土的內(nèi)力、應(yīng)力及位移。

        4.1 內(nèi)力對比

        4個施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比分別見表1—表4。表中軸力以受拉為正,受壓為負(fù);彎矩以截面下緣受拉為正,截面下緣受壓為負(fù)。

        表1 拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段內(nèi)力

        表2 施加拱肋混凝土濕重階段內(nèi)力

        表3 拱肋混凝土成型階段內(nèi)力對比

        表4 安裝吊桿D10階段內(nèi)力

        由表1—表4可知:①由于拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段及施加拱肋混凝土濕重階段支架施工法有拱肋支架支承,拱肋鋼管的軸力和彎矩均較小,而豎向轉(zhuǎn)體法中拱肋鋼管須承擔(dān)自重及拱肋混凝土濕重,拱肋鋼管的軸力和彎矩均較大。②在拱肋混凝土成型階段,采用支架施工法時拱肋鋼管除拱頂處彎矩比豎向轉(zhuǎn)體法時略大外,其余位置軸力和彎矩均比豎向轉(zhuǎn)體法時小。該階段兩種施工方法的拱肋混凝土軸力和彎矩均較小,差異不大。③在安裝吊桿D10階段,采用支架施工法時拱肋混凝土除1/4跨處彎矩比豎向轉(zhuǎn)體法時略小外,其余位置的軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時大,而拱肋鋼管除拱頂處彎矩比豎向轉(zhuǎn)體法時略大外,其余位置的軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時小。

        綜上,采用支架施工法時,拱肋混凝土和拱肋鋼管能更均勻地分擔(dān)外荷載作用。采用豎向轉(zhuǎn)體法時,拱肋鋼管的內(nèi)力較大,而拱肋混凝土的內(nèi)力較小。

        4.2 應(yīng)力對比

        4個施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比分別見表5—表8。表中應(yīng)力以受拉為正,受壓為負(fù)。由表5—表8可知:兩種拱肋施工方法下,拱肋鋼管和拱肋混凝土應(yīng)力規(guī)律與內(nèi)力規(guī)律相似。①采用支架施工法時,在拱肋支架移除前的拱肋混凝土成型階段,除拱腳附近拱肋鋼管應(yīng)力達(dá)到3 MPa外,其余位置拱肋鋼管應(yīng)力均不到2 MPa,拱肋混凝土應(yīng)力很小,可忽略不計(jì)。在安裝吊桿D10階段中,拱肋鋼管和拱肋混凝土的應(yīng)力均有所增大,拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為35.2、60.9 MPa,發(fā)生在拱頂和拱腳位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為4.8、8.1 MPa,發(fā)生在拱頂和拱腳位置。②采用豎向轉(zhuǎn)體施工法時,在拱肋混凝土成型階段,拱肋鋼管的應(yīng)力較大,拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為78.3、120.0 MPa,發(fā)生在1/4跨和拱腳位置。拱肋混凝土的應(yīng)力較小,可忽略不計(jì)。在安裝吊桿D10階段中,拱肋鋼管和拱肋混凝土的應(yīng)力仍有增加,拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為79.1、131.0 MPa,發(fā)生在1/4跨和拱腳位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為2.0、1.7 MPa,發(fā)生在拱頂和拱腳位置。

        表5 拱肋鋼結(jié)構(gòu)安裝階段應(yīng)力 MPa

        表8 安裝吊桿D10階段應(yīng)力對比 MPa

        綜上,采用支架施工法時,拱肋混凝土和拱肋鋼管之間的應(yīng)力分布比豎向轉(zhuǎn)體法時更均勻,拱肋混凝土應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時略大,而拱肋鋼管的應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時小。

        表6 施加拱肋混凝土濕重階段應(yīng)力 MPa

        表7 拱肋混凝土成型階段應(yīng)力對比 MPa

        4.3 位移對比

        主要施工階段拱頂豎向位移見表9。表中位移向上為正,向下為負(fù)??芍袄呋炷脸尚秃筘Q向轉(zhuǎn)體施工法的拱頂位移是支架施工法的2.4倍。在安裝吊桿D10階段,兩種拱肋施工方法的拱頂位移均有所增加,豎向轉(zhuǎn)體法拱頂位移是支架施工法的1.9倍。

        表9 主要施工階段拱頂位移對比 mm

        5 運(yùn)營階段拱肋施工方法分析

        為分析兩種拱肋施工方法對運(yùn)營階段拱肋受力的影響,取施工完二期恒載后30年即“運(yùn)營30年階段”恒載作用下拱肋鋼管和拱肋混凝土的內(nèi)力、應(yīng)力及位移進(jìn)行對比。

        運(yùn)營30年階段內(nèi)力對比見表10??芍?,運(yùn)營階段受二期恒載施工、混凝土收縮徐變的影響,兩種拱肋施工方法的內(nèi)力差異與施工階段有所不同。在運(yùn)營30年階段,采用支架施工法時拱肋混凝土軸力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時略大,彎矩比采用豎向轉(zhuǎn)體法時?。ü绊敵猓袄咪摴茌S力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時小,拱肋鋼管彎矩除1/4跨和拱頂位置支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法時略大以外,其余位置均比豎向轉(zhuǎn)體法時小。

        表10 運(yùn)營30年階段內(nèi)力對比

        運(yùn)營30年階段應(yīng)力對比見表11。可知:①采用支架施工法時,拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為77.2、91.0 MPa,發(fā)生在拱頂和拱肋變截面位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為3.7、4.0 MPa,發(fā)生在拱腳和拱肋變截面位置。②采用豎向轉(zhuǎn)體施工法時,拱肋鋼管上下緣壓應(yīng)力最大值分別為104、147 MPa,發(fā)生在拱頂和拱肋變截面位置。拱肋混凝土上下緣壓應(yīng)力最大值分別為3.2、2.2 MPa,發(fā)生在拱腳和1/4跨位置。

        表11 運(yùn)營30年階段應(yīng)力對比 MPa

        運(yùn)營階段與施工階段的應(yīng)力變化規(guī)律一致。采用支架施工法時拱肋混凝土應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時大,而拱肋鋼管的應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時小。由于兩種拱肋施工方法的拱肋混凝土應(yīng)力均不大,且混凝土壓應(yīng)力可以抵消運(yùn)營階段活載產(chǎn)生的拉應(yīng)力,所以運(yùn)營階段恒載作用下拱肋混凝土壓應(yīng)力越大對結(jié)構(gòu)越有利。而豎向轉(zhuǎn)體法的拱肋鋼管壓應(yīng)力已達(dá)到鋼材基本容許應(yīng)力的70%,考慮運(yùn)營階段活載還將產(chǎn)生壓應(yīng)力,所以運(yùn)營階段恒載作用下拱肋鋼管壓應(yīng)力越小對結(jié)構(gòu)越有利。因此,從拱肋受力方面考慮,支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法更有優(yōu)勢。

        運(yùn)營30年階段采用拱肋支架施工法和豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂豎向位移分別為-67.4、-99.1 mm,采用豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂位移為采用支架施工法的1.5倍。

        6 結(jié)論

        1)在拱肋施工階段,采用支架施工法時拱肋混凝土軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時大,而拱肋鋼管的軸力和彎矩均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時小。在運(yùn)營階段,采用支架施工法時拱肋混凝土軸力比豎向轉(zhuǎn)體法時大,彎矩除拱頂位置比豎向轉(zhuǎn)體法時略大以外,其余位置均比豎向轉(zhuǎn)體法時小,而拱肋鋼管軸力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時小,拱肋鋼管彎矩除1/4跨和拱頂位置支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法時略大以外,其余位置均比豎向轉(zhuǎn)體法時小。

        2)在拱肋施工階段和運(yùn)營階段,采用支架施工法時拱肋混凝土應(yīng)力均比采用豎向轉(zhuǎn)體法時大,而拱肋鋼管的應(yīng)力比采用豎向轉(zhuǎn)體法時小。

        3)在拱肋施工階段和運(yùn)營階段,采用豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂位移均比采用支架施工法時大,豎向轉(zhuǎn)體法的拱頂位移分別是支架施工法時的2.4倍和1.5倍。

        4)從拱肋受力及變形方面考慮,支架施工法比豎向轉(zhuǎn)體法更有優(yōu)勢。

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