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        啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋施工過(guò)程受力研究

        2022-06-28 21:09:30黃海珊林本虎梁高榮
        西部交通科技 2022年4期
        關(guān)鍵詞:受力分析有限元方案

        黃海珊 林本虎 梁高榮

        【摘要:】文章以某高速公路啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)楣こ桃劳校Y(jié)合工期和經(jīng)濟(jì)性兩方面確定了合理的施工方案,并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)拱橋吊裝施工過(guò)程的受力情況進(jìn)行分析,通過(guò)建立拱腳局部模型及施工過(guò)程關(guān)鍵階段、成橋階段的數(shù)值模型,研究了拱橋施工過(guò)程中最不利受力工況的受力及成橋后的受力狀態(tài)。結(jié)果表明:采用豎向轉(zhuǎn)體吊裝進(jìn)行拱橋施工,具有良好的經(jīng)濟(jì)性,且拱腳受力合理,施工過(guò)程各關(guān)鍵階段應(yīng)力均低于設(shè)計(jì)規(guī)范,成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力良好。

        【關(guān)鍵詞:】系桿拱橋;方案;有限元;受力分析

        U441+.5A341124

        0 引言

        拱式結(jié)構(gòu)作為橋梁結(jié)構(gòu)的一種基本型式,具有跨越能力大、外形美觀、造價(jià)低等特點(diǎn)[1]。啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋作為拱橋的一種型式,拱肋水平推力依靠預(yù)應(yīng)力系桿來(lái)平衡,可大大減少拱肋對(duì)基礎(chǔ)的水平推力,具有極大的推廣價(jià)值。但系桿拱橋的施工過(guò)程復(fù)雜,需要的施工設(shè)備繁多,在拱肋合龍前,已安裝節(jié)段為懸臂結(jié)構(gòu),可靠性低;另一方面,系桿未張拉時(shí),由自重、施工荷載等產(chǎn)生的水平推力主要依靠拱腳基礎(chǔ)承受,因而要求拱腳基礎(chǔ)具有一定的承載能力。因此,研究拱腳局部、懸臂吊裝過(guò)程的受力情況及成橋受力狀態(tài),進(jìn)而指導(dǎo)拱橋施工具有重要意義。

        1 工程概況

        某啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)采用下承式梁拱組合型式,主跨跨徑為134 m,計(jì)算矢高為33.5 m,拱軸系數(shù)為2.0,計(jì)算矢拱度為1:4。拱肋上下兩根鋼管由鋼板連接成等截面鋼-混組合結(jié)構(gòu),拱肋截面高2.8 m,寬1.2 m,管內(nèi)灌注填充C50自密實(shí)混凝土。成橋后的拱肋水平推力主要依靠縱梁預(yù)應(yīng)力系桿承擔(dān)。吊桿通過(guò)鋼絞線整束擠壓而成拉索體系,兩端錨具安裝有可適應(yīng)變位和可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的球形墊板和螺母,兩吊桿之間間隔8 m。橋道系為雙縱肋式,兩肋橫向距離為12.8 m。拱腳部位采用鋼-混組合型式,截面變高,寬度為1.9 m。在全橋范圍內(nèi)每對(duì)吊桿位置的縱肋之間安設(shè)橫隔板,橋面系兩側(cè)各設(shè)置一道140 cm厚的端橫梁,橋面板厚度為28 cm。

        2 施工方案比選

        根據(jù)設(shè)計(jì)要求,提供兩種施工方案如下:

        方案一:采用依次對(duì)稱吊裝拱肋節(jié)段的方式,直至合龍段架設(shè)完成。各節(jié)段吊裝工藝次序?yàn)閇2]:起吊→對(duì)中→臨時(shí)錨固→調(diào)節(jié)線形→定位焊接→調(diào)節(jié)線形→焊接合龍→無(wú)損檢測(cè)。拱肋節(jié)段安裝布置如圖1所示。

        方案二:采用豎向轉(zhuǎn)體提升施工方法。在主跨中心處安設(shè)豎轉(zhuǎn)塔架,塔架用塔吊與吊車協(xié)作安裝完成。每一節(jié)段拼裝完成后安裝壓塔索和纜風(fēng)繩,然后張拉至設(shè)計(jì)要求,轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu)[3];而后在塔頂安裝千斤頂、卷?yè)P(yáng)機(jī)等轉(zhuǎn)體所需設(shè)備。鋼管拱分段吊裝根據(jù)設(shè)計(jì)文件采用兩側(cè)對(duì)稱依次提升拱肋節(jié)段的方式,直至拱肋合龍。豎向轉(zhuǎn)體施工方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

        結(jié)合本工程實(shí)際施工情況,對(duì)兩種施工方案的施工工期和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比選(見(jiàn)表1)。

        由表1可知,方案二較方案一具有工期短、節(jié)約材料、經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)點(diǎn),故進(jìn)行啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋吊裝施工時(shí),優(yōu)先選擇豎向轉(zhuǎn)體的工藝方法。

        啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋施工過(guò)程受力研究/黃海珊,林本虎,梁高榮

        3 拱腳局部受力分析

        拱腳作為拱橋受力的關(guān)鍵部位,承擔(dān)著自重、預(yù)應(yīng)力、活載等相關(guān)荷載,尤其在施工期間,拱橋的受力體系及受力狀態(tài)不斷改變,其應(yīng)力及變位亦隨之發(fā)生改變,受力復(fù)雜且量值較大。因此,選擇有代表性的受力工況,建立局部實(shí)體模型研究拱腳應(yīng)力分布,具有顯著的工程意義。

        3.1 模型建立

        采用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件Midas FEA建立拱腳精細(xì)化數(shù)值模型,如圖3所示,研究不同工況下拱腳的受力情況。建模時(shí),忽略普通鋼筋的作用,啞鈴型主拱、管內(nèi)混凝土、混凝土系梁運(yùn)用實(shí)體單元模擬,并自動(dòng)劃分實(shí)體網(wǎng)格,共有23 360個(gè)節(jié)點(diǎn)、116 396個(gè)單元。本次分析忽略粘結(jié)滑移效應(yīng)。

        3.2 受力分析

        通過(guò)全橋整體模型分析,選取施工過(guò)程中的關(guān)鍵施工工況模擬細(xì)部受力狀況。選取以下四個(gè)最不利荷載工況:

        (1)工況1:第1根和第15根吊桿張拉;

        (2)工況2:跨中最后一根(第8根)吊桿張拉;

        (3)工況3:吊桿張拉完畢拆除橋道梁滿堂支架;

        (4)工況4:二期恒載鋪裝。

        各工況荷載作用下拱腳局部最大位移和應(yīng)力有限元計(jì)算值如表2所示。

        表2所列結(jié)果表明,各種最不利工況施工條件下,拱腳最大縱向位移為1.41 mm,最大豎向位移為0.74 mm;拱腳混凝土最大主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力分別為2.42 MPa和-35.64 MPa;拱肋混凝土最大主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力分別為1.75 MPa、-13.83 MPa,均出現(xiàn)在工況4。二期恒載鋪裝完成后,造成混凝土主拉應(yīng)力過(guò)大的原因是混凝土和鋼管拱肋結(jié)合部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。拱肋鋼管最大主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力分別為21.36 MPa和-77.84 MPa,低于鋼材的屈服強(qiáng)度,且具有豐富的應(yīng)力儲(chǔ)備。

        4 施工階段拱肋受力分析

        4.1 有限元模型的建立

        全橋數(shù)值模型采用橋梁大型通用計(jì)算軟件Midas Civil建立,橋面主梁通過(guò)梁?jiǎn)卧M,拱肋采用施工聯(lián)合截面分析,吊桿采用桁架單元模擬,建立空間數(shù)值模型,全橋共有337個(gè)節(jié)點(diǎn)、572個(gè)單元。有限元模型如下頁(yè)圖4所示。

        4.2 拱肋吊裝過(guò)程受力分析

        全橋拱肋共分為5個(gè)節(jié)段。拱肋吊裝采用豎向轉(zhuǎn)體提升施工,在主跨中心處安設(shè)豎轉(zhuǎn)塔架,通過(guò)梁頂部預(yù)埋

        鋼板進(jìn)行固定,中間預(yù)留充足的空間用以運(yùn)輸拱肋與橫撐。塔架用塔吊與吊車協(xié)作共同安裝,每一節(jié)段拼裝完成后安裝壓塔索和纜風(fēng)繩,然后張拉至設(shè)計(jì)要求,轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu),而后在塔頂安裝千斤頂、卷?yè)P(yáng)機(jī)等轉(zhuǎn)體所需設(shè)備。

        拱肋吊裝施工過(guò)程中,模擬其施工時(shí)主要節(jié)段的受力狀態(tài),選擇有代表性的拱肋受力工況進(jìn)行研究:

        工況1:吊裝節(jié)段1和節(jié)段5;

        工況2:吊裝節(jié)段2和節(jié)段4;

        工況3:拱肋合龍;

        工況4:拱肋混凝土澆筑完成;

        工況5:吊桿張拉完成;

        工況6:二期鋪裝完成。

        各工況作用下拱肋最大應(yīng)力見(jiàn)表3。限于篇幅,僅展示工況1、4、5、6下的應(yīng)力云圖,見(jiàn)圖5~8。

        由表3及圖5~8可知,在吊裝合龍前拱肋應(yīng)力值均較小,在混凝土澆筑完成后拱肋拉應(yīng)力達(dá)到最大,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管,其值為41.6 MPa,遠(yuǎn)低于鋼材屈服應(yīng)力,此時(shí)拱肋最大壓應(yīng)力值為50.6 MPa。在吊桿安裝完成后,拱肋由拉壓應(yīng)力交替變化轉(zhuǎn)為全截面受壓,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管,其值為95.6 MPa,亦低于拱肋的屈服強(qiáng)度。

        4.3 成橋階段拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力分析

        施工方法的選擇直接影響拱肋成橋后的應(yīng)力狀態(tài),拱肋關(guān)鍵截面的應(yīng)力值能夠直觀反映當(dāng)前階段結(jié)構(gòu)的受力情況及材料的安全儲(chǔ)備。啞鈴型鋼管混凝土拱肋主要受力結(jié)構(gòu)包括三部分:上下弦管、管內(nèi)自密實(shí)混凝土(C50)、綴板內(nèi)自密實(shí)混凝土(C50)。成橋后各結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力位置點(diǎn)如圖9所示。各關(guān)鍵截面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布如表4所示。

        由表4可知,成橋階段拱肋鋼管最大應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管L/8截面位置,該位置最大壓應(yīng)力值為136.8 MPa,低于鋼材的屈服強(qiáng)度;下弦管最大應(yīng)力位于拱腳處,該位置最大壓應(yīng)力值為112.2 MPa,亦低于鋼材的屈服強(qiáng)度。上下弦管內(nèi)澆混凝土最大應(yīng)力位于拱腳截面位置,最大壓應(yīng)力值為6.9 MPa,小于混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度;綴板混凝土最大應(yīng)力出現(xiàn)在L/8截面位置,該位置最大壓應(yīng)力值為3.7 MPa,均符合設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn),成橋后拱肋各部位均處于受壓狀態(tài),且壓應(yīng)力值均較小,成橋受力狀態(tài)良好。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (1)啞鈴型截面鋼管混凝土系桿拱橋采用豎轉(zhuǎn)法吊裝施工,可縮短工期、節(jié)省造價(jià)。

        (2)二期恒載鋪裝完成后,拱腳部位混凝土局部拉應(yīng)力較大,原因是混凝土和鋼管拱肋結(jié)合部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;拱肋鋼管拉壓應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)規(guī)定。

        (3)拱肋吊裝施工過(guò)程中,在吊桿張拉前,拱肋處于拉壓應(yīng)力并存的受力狀態(tài),最大拉應(yīng)力位于上弦管,其值為41.6 MPa;在完成吊桿張拉后,拱肋轉(zhuǎn)為全截面受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上弦管,其值為95.6 MPa,均低于鋼材屈服強(qiáng)度。

        (4)成橋后拱肋各部位均處于受壓狀態(tài),且壓應(yīng)力值均較小,成橋受力狀態(tài)良好。

        參考文獻(xiàn):

        [1]邵旭東.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2007.

        [2]盛圣勝.大跨鋼管拱原位拼裝施工技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)建筑科技,2018(2):102-105.

        [3]李 平.鋼管拱豎轉(zhuǎn)安裝施工技術(shù)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2017(11):115-117.

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