邸庆辉，张　健,刘山洪

(重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400070)



劲性骨架拱桥施工过程仿真分析

邸庆辉，张健,刘山洪

(重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400070)

以玻璃沟大桥为背景，采用Midas/Civil大型有限元分析软件建模，根据拟定的施工顺序对施工过程进行具体模拟分析，从中分析施工阶段各截面应力、变形和稳定性，研究施工阶段划分的合理性。其成果将为拱桥施工提供理论依据及更好地指导后续施工。

劲性骨架；拱桥；仿真分析

随着经济的快速发展，西部山区需要大量的基础设施建设，同时需要建设大量的桥梁，尤其是跨越两个峡谷之间，而钢管混凝土劲性骨架拱桥又适应时代的要求。钢管混凝土是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的一种组合结构，其基本原理是借助钢管对混凝土的套箍约束作用[1]，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和更高的塑形变形能力。而套箍约束是在工程上，外部材料有效约束内部的横向变形，从而提高内部材料的抗压强度和变形能力。劲性骨架拱桥一般采用缆索吊装、斜拉扣挂法施工，施工难度大，且施工过程中的受力状态发生着不断变化。所以，有必要对其施工过程进行模拟分析。

1　工程背景

玻璃沟大桥为雅砻江两河口水电站库区复建县道X037线溪工沟至尤拉西沟段的一座劲性骨架钢筋混凝土箱型拱桥。主孔为净跨170 m，孔跨布置为3×13 m连续板+170 m劲性骨架钢筋混凝土箱型拱桥+20 m简支空心板，拱桥总长247 m。主桥采用170 m上承式箱型拱桥，净矢高34 m，净矢跨比1/5，拱轴线型为悬链线，拱轴系数m=1.543。桥面全宽8 m。骨架采用φ377×12的Q345C的无缝钢管作主骨架及Q345C的槽钢作腹杆、平联、横联杆件。桥型布置如图1所示。

图1　玻璃沟大桥桥型布置(单位:m)

2　施工方法

2.1肋劲性骨架吊装

拱肋采用缆索吊装斜拉扣挂法，从拱角到拱顶分5个工作面对称吊装施工。施工循序如图2所示。

图2　劲性骨架吊装示意

2.2内灌C50混凝土

钢管内灌混凝土顺序：先灌注上弦管，再灌注下弦管；先灌注外侧管，再灌注内侧管。浇筑时应全桥对称均衡加载。

2.3外包混凝土

拱圈总共分“三环八段”对称浇筑，“三环”为底板混凝土、腹板混凝土、顶板混凝土，先对称浇筑底板混凝土直至合龙，待混凝土达到强度后再对称浇筑全部腹板混凝土至合龙。待混凝土达到强度后再对称浇筑中箱底板混凝土至合龙，最后浇筑顶板混凝土至合龙。施工过程如图3、图4所示。

图3　拱圈混凝土纵向浇筑顺序

图4　拱圈混凝土横向浇筑顺序

2.4拱上建筑施工

从拱脚到拱顶均匀对称浇筑拱上立柱及盖梁，并预埋空心板锚栓；空心板吊装：纵向从拱脚至拱顶均衡对称劲性，横桥向每跨由中间向两侧依次安装4片预制桥面板，形成通道及工作平台，然后进行桥面连续，桥面铺装，人行道、栏杆和路灯的安装，完成桥梁施工。

为保证结构的安全, 对涉及拱圈混凝土分段、分环浇筑施工进行了细化, 具体施工阶段划分见表1。

表1　施工程序

3　模型

模型仿真计算采用2015 Midas版本，建模采用梁-板组合模型[2]。全桥划分2 369个节点，5 568个单元，其中包括4 762个梁单元和806个板单元，模型见图5。

图5　成桥计算模型

3.1材料参数

玻璃沟大桥主要材料参数见表2。

表2　玻璃沟大桥材料参数

3.2混凝土收缩徐变

拱圈外包混凝土顶、底板的理论厚度由0.8 m渐变成0.4 m，外腹板由0.55 m变成0.3 m，中腹板的厚度为0.3 m。外包混凝土初始加载龄期取6个月(180 d)，收缩徐变计算到铺装完成后10 a。

3.3二期恒载

桥面铺装：先在桥面板上浇筑10 cm的C50合成纤维混凝土调平层，其钢筋网离水泥水泥混凝土铺装上表面的净保护层为3 cm。待混凝土强度达到70 %后，在其上均匀涂刷BBC-251Ⅱ型道桥用聚合物改性沥青防水涂料。待防水层干燥后，在防水层上面4 cm的细粒式沥青混凝土。

4　施工阶段模拟

4.1模拟内容

各施工阶段控制截面钢管应力、混凝土应力模拟；控制截面位移模拟；主拱圈稳定性模拟。

4.2挠度和应力模拟

玻璃沟大桥根据施工阶段划分，对各阶段控制截面挠度、钢管应力、主拱圈混凝土应力主拱圈稳定性进行了模拟，计算结果见图6～图10，其中应力正为拉应力，负为压应力。

图6　施工阶段理论挠度值

图7　下弦杆钢管控制截面理论应力

图8　上弦杆钢管控制截面理论应力

图9　上弦杆内灌混凝土控制截面理论应力

图10　下弦杆内灌混凝土控制截面理论应力

由图6可知，整个施工阶段控制截面的下挠挠度几乎都是均匀变化的，直到浇筑拱上立柱和盖梁时，挠度下滑迅速，可见浇筑拱上立柱的重量是比较大的。施工时，更应该采取均匀对称的施工方法，坚决按照拱桥的施工控制[3]。施工控制是一个施工→测试→识别→修正→预告→施工的循环过程。施工控制的目的是保证结构在施工过程中的安全以及外形和内力符合设计要求。

由图7～图10可知，劲性骨架合龙后，从理论模拟数据出发，可以清楚的看出不论钢管还是混凝土都是在1/8截面处的应力在各个施工阶段中处于最大处，所以在施工监控中，应该重点监控。同时，钢管的最大轴向压应力为181 MPa,内灌混凝土的压应力最大9.24 MPa，可见拱肋的应力均大大小于钢管强度标准值、混凝土强度标准值[4]。拱肋的的整体受力安全。

4.3稳定性分析[5]

拱的稳定从失稳形态分为面内稳定和面外稳定;从失稳时是否发生平衡分支又分为分支点失稳和极值点失稳。在没有考虑非线性影响的条件下，失稳时属于分支点失稳，而分支点失稳常用的计算方法是通过求解特征值得到弹性临界荷载，因此它只是真实解的上限，工程中一般要求弹性分支点失稳的临界荷载为实际荷载的4～6倍。

劲性骨架拱桥的失稳与一般拱桥的失稳不同,劲性骨架和混凝土板的受力是分次叠加的, 每次加载的承载结构都不同,导致劲性骨架弦杆和腹杆的受力不均匀。因此，需要模拟各个阶段的稳定系数。

拱桥施工阶段通过特征值求解的一阶特征值作为稳定系数，要求达到4～5(图11)。

图11　各施工阶段稳定系数

由图11可见：在浇筑底板混凝土阶段(3～7施工阶段)结构的稳定系数处于最低点，不满足要求，其余阶段均满足要求；浇筑底板混凝土，腹板混凝土时，在不合龙之前，稳定系数变化不大，合龙之后稳定系数提升；浇筑顶板混凝土阶段时，稳定系数稳步提升，可见，拱圈的形成提高了拱桥的稳定系数。

5　模型的优化调整

由于拱桥在施工前，所有的模拟分析都是按照施工图纸在理想化状态下进行模拟分析计算的，而在实际施工过程中，影响拱桥结构内力和变形因素很多，主要有以下几方面。

(1)施工临时荷载( 施工机具及模板等) ;

(2)合龙温度及日照的影响;

(3)现场浇筑混凝土浇筑方量的控制;

(4)混凝土收缩和徐变的影响(主要包含强度-时间实际发展曲线定义及收缩徐变应变-时间实际发展曲线定义)。

针对以上影响因素，监控过程中将根据实际情况和实测数据对结构有限元计算模型进行逐阶段优化调整，使之不断接近实际。

6　结束语

本文通过运用大型有限元软件Midas/Civil建模，对玻璃沟大桥各个施工阶段模拟分析发现，按照设计施工工序，玻璃沟大桥各个施工阶段下挠的位移，符合设计要求；各个阶段的应力均未超过材料容许应力；同时，在各个施工阶段的稳定分析中，浇注底板混凝土的稳定系数未达到要求，说明在施工时，应该加强骨架的横向连接，保证施工安全。

[1]叶见曙.结构设计原理[M].人民交通出版社,1997.

[2]米曦亮，栗勇.劲性骨架在混凝土拱桥中的应用和模拟方法研究[J].城市道路与防洪，2013,6(6):93-96.

[3]张征文，王巍，江根明.大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥的施工及控制[J].建筑施工，2007，29(4)：284-285.

[4]JTG D62-2012 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]赵雷，杜正国.大跨度钢筋混凝土拱桥钢管混凝土劲性骨架施工稳定性分析[J].西南交通大学学报，1994(4)：446-446.

邸庆辉(1989～)，男，硕士，研究方向为道桥与隧道工程及检测。

U445.469

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[定稿日期]2016-03-16