沙仁明，荐家鑫，王颖玉，陈文胜，左大宝

（中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司，辽宁 大连 116083）

0 前言

钢管混凝土拱桥具有跨越能力强、施工便捷、自重轻、适用地形广泛等特点，是大跨度公路及铁路桥梁的比选方案之一[1～2]。其中，拱结构可将竖向荷载转化为压力，承受弯矩和剪力相比同跨径的梁更具优势，可节省材料，增大跨径能力[3]。

对于下承式钢管混凝土拱桥静力性能的研究，学者多集中于拱肋稳定性[4～5]、拱脚节点受力机理[6]方面。此外，黄云等[7]对局部构件施工顺序进行优化，并建立仿真模型，模拟钢管与管内混凝土之间相互作用；周倩等[8]调整各分段拱肋管内混凝土的浇筑顺序，进一步减少了施工工序；韦建刚等[9]、杨绿峰等[10]注重结构参数变化对结构受力的影响，确定了相对合理的参数取值范围。

本文以引江济淮工程某下承式钢管混凝土系杆拱桥为背景，采用数值模拟方法分析施工过程中吊杆受力，明晰吊杆张拉过程钢管拱肋及主梁线形变化，其结果可为优化同类哑铃型变截面提篮拱设计提供参考。

1 工程概况

本项目属于引江济淮工程，桥梁为钢管混凝土系杆拱桥，桥梁全长293.4m，拱肋内倾角约为7°，主桥桥面跨度136m。桥面系梁节段采用等高度双边箱开口截面，梁高约2.8m。底板横向为平坡，桥面横坡通过横梁高度调整，全宽41m。

主桥两侧布局为柱式墩，主桥侧墩柱与引桥侧墩边柱支承于同类型承台，引桥侧墩中柱下设置单独承台基础，承台下布设钻孔桩基础。

桥面系梁为全钢结构，拱脚位置处设置通长两边主梁，即主桥系杆，系杆承受由拱肋产生的推力。边主梁之间及外侧分别设置横梁和托架，组成梁格体系，桥面采用正交异形桥面板。

2 桥梁总体设计

2.1 拱肋截面

主桥设2片提篮式拱肋，拱顶处拱肋轴线中心水平距离19m，拱脚处轴线水平距离为26.5m。拱肋截面采用变截面哑铃型钢管混凝土形式，上下肢钢管内填充C50微膨胀混凝土。主桥跨中99m范围内，上、下肢钢管外径1.3m，壁厚26mm；靠近拱梁结合段处的拱肋钢管壁厚36mm，其余范围内钢管壁厚32mm，即拱肋钢管控制内径一致。

上下弦钢管内分别设置4条板肋，板肋布置避开吊索导管穿越处。拱肋钢管内沿水平距离每2m设置一道环向加劲肋，环向加劲肋沿拱轴线径向布置，且在贴钢管内壁处沿环向加劲肋周边开设12个半径为90mm的半圆孔，以减小钢管混凝土灌注过程中的阻滞效应。

拱肋空腹段采用“N”形桁式，腹杆采用卷制钢管Φ650×20mm。实腹段腹板板厚26mm。拱肋上每处吊点位置，吊索导管经竖向腹杆穿越上下肢钢管，吊索锚固于上肢钢管拱背处，相应位置设置钢结构锚固平台。

2.2 风撑

拱肋间共设5道风撑，中间为米字撑，两侧各为2道K撑，风撑为钢管拼接而成的桁架结构。其中风撑上、下弦钢管为卷制钢管，为Φ610×14mm；弦杆之间的腹杆采用无缝钢管，为Φ351×10mm。

2.3 桥面系梁

桥面系梁两侧边箱内宽2m，边箱顶板板厚40mm～24mm（端横梁处顶板厚度为40mm，然后由28mm过渡到24mm）；边箱底板板厚44mm～28mm；跨中段腹板板厚24mm，拱脚处腹板厚40mm，过渡段腹板厚度28mm。系梁纵向每隔3m设置一道横隔板。吊杆位置处均对应有横隔板，普通横隔板厚16mm，吊杆处横隔板厚32mm。

梁段腹板伸出桥面形成箱形结构，内部设置承压板，承压板与拱肋钢管焊接，承压板另一侧设置两道十字加劲板，分别对应两支拱肋钢管，加劲板与梁段伸出的腹板焊接。箱形拱肋内侧设置有剪力钉，使箱形拱脚与内部填充的混凝土协同受力。

图1 拱桥有限元模型

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型

本模型共有1450个节点，1820个单元。其中主桥跨度为130 m，拱轴线绝对高度为29 m，采用2次抛物线并且矢跨比约为1/4.5。其中，两片拱肋的拱轴线在拱顶处横向间距为19m，在拱轴线的拱脚处横向距离为26.5m；拱肋上、下肢钢管组成哑铃型截面，采用钢管混凝土结构。

3.2 静力荷载工况

本桥静力荷载工况分为6类，其中恒荷载包括自重、二期荷载。温度荷载依据当地最高、最低气温，并考虑组合结构本身的升、降温特点，按照桥梁整体升温27℃，降温39℃考虑，索梁温差按照±10℃考虑。移动荷载分为人群荷载：总体考虑人行道荷载集度2.4 kN/m2，非机动车道采用2.4 kN/m2，小型车辆取道路设计汽车荷载的最不利值，人行道局部构件荷载集度采用5 kN/m2。

4 施工阶段拱桥受力分析

4.1 施工阶段划分

本桥主要划分为8个施工阶段，其中钢箱梁分5次吊装，拱肋钢管包括拱肋1#至拱肋6#，吊杆需张拉10对，见表1所示。

施工阶段划分 表1

4.2 吊杆受力分析

吊杆为桁架单元，承受由拱肋传递的竖向为拉力，其中1#～9#吊杆初拉力均小于成桥后吊杆张拉力，各吊杆承受拉应力见图2所示。

图2 施工阶段吊杆应力变化

分析表2可以发现各吊杆拉应力随施工阶段的增加均呈现先减小后增加趋势，且成桥阶段吊杆承受拉应力最大，其中1#吊杆承受拉应力为234.9MPa，远小于该吊杆承受拉应力限值。成桥阶段（阶段25）拱梁结合位置（1#）吊杆拉应力最大，随着与跨中截面距离减少，吊杆拉应力逐渐降低，至（9#）吊杆拉应力达到最小值167.7 MPa。这是因为吊杆张拉使钢箱梁与拱肋协同受力，拱肋跨中截面梁体上移，靠近拱脚位置拱肋承受荷载逐渐增大，使得桥梁两端位置吊杆承受拉应力变大。

吊杆张拉拱肋挠度变化（mm） 表2

4.3 拱桥线形变化

拱肋支架拆除后，上、下弦管线形发生改变，其中竖向位移是衡量变化的指标之一，因此有必要选取代表截面分析拱肋挠度变化。

表2中1#吊杆靠近拱梁结合处，10#吊杆位于拱顶截面。可以发现，拱肋1/4截面挠度逐渐变大，在成桥阶段达到挠度峰值，挠度增大15.7%。随着吊杆张拉，拱顶截面挠度呈现先减小后增大趋势，且在张拉5#吊杆时挠度值达到最小。这是因为吊杆张拉使拱顶附近线形发生上移，且张拉跨中截面位置吊杆使截面挠度下降。

主梁挠度在成桥阶段均发生沉降，越靠近跨中截面处，主梁挠度越大。其中跨中截面挠度最大值为41.9 mm，挠跨比为0.322/1000。

5 结论

本文依据有限元软件MIDAS/Civil，分析施工阶段吊杆应力变化，研究吊杆张拉对桥梁线形变化的影响，得出如下结论：

①吊杆拉应力随施工阶段的推进为先减后增趋势，并在成桥阶段达到峰值拉应力，其中1#吊杆峰值拉应力为234.9MPa；

②施工阶段吊杆张拉过程中，拱肋1/4截面挠度逐渐增加，约增大15.7%；

③成桥阶段主梁挠度向跨中截面逐渐增大，峰值挠度可达41.9mm，挠跨比为0.322/1000。