考虑施工过程的大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥受力分析

王 锋 王平利

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300142； 2.中交一航局第四工程有限公司, 天津 300456)

近十几年来,劲性骨架混凝土拱桥在我国发展迅速,它是利用型钢、钢管或钢管混凝土作劲性骨架,然后在其基础上搭建模板分段分层浇筑混凝土,形成的劲性骨架混凝土拱桥。这种桥型充分发挥了各自材料的特长,克服了大跨拱桥的施工困难,跨越能力很大。在基础较好的峡谷地区,实现一跨过谷,具有不可比拟的优势。拱肋的形成要经过一系列体系转换,其受力非常复杂,往往控制设计。本文以宜万线铁路上某桥为例,应用大型有限元软件ANSYS做空间有限元精细模拟,进而对结构安全性作出综合评价,为类似拱桥的设计提供依据。

1 工程概况

该大桥位于直线上,桥上纵坡为17.7‰,为Ⅰ级双线铁路(预留复线),线间距4.2 m,主桥一次双线,是一座1-178 m跨峡谷的上承式劲性钢管混凝土骨架钢筋混凝土拱桥(见图1)。拱肋为劲性骨架钢筋混凝土箱型,拱脚有3 m长实心段,两片分离拱肋采用提篮式布置,倾角为5.057°,拱顶内倾3.5 m。拱立面内矢高为39.55 m,拱肋轴线为悬链线,拱轴系数m=2.814 m。拱上立柱为双柱墩,在拱肋立柱及拱顶设横撑。拱顶47.5 m长的一段做成框架,每隔9.5 m设一道断缝,两侧各采用1联5×14 m连续梁。

图1 桥梁结构总布置(单位:cm)

2 施工顺序

本桥施工的顺序为：①拱肋的施工；②拱上立柱的施工；③拱上框架的施工；④脚手架上施工桥面纵梁。其中,拱肋的施工步骤又分为：先用缆索吊装施工钢管骨架,然后灌注管内混凝土,待混凝土达到设计强度后再分环灌注外包混凝土。按结构性质,拱肋将经历三种状态[7]。

(1)劲性骨架状态：在泵送管内混凝土时,承重结构只有钢结构,而混凝土只作为荷载,不计抗力。当混凝土达到强度要求时,钢管和混凝土共同工作,成为刚管混凝土劲性骨架。

(2)劲性骨架的一部分被混凝土包裹的状态：当混凝土还未硬凝时,混凝土只计重量,不计抗力。但当混凝土硬凝后,由于混凝土的截面比骨架杆件的截面大得多,结构受力主要靠混凝土,而骨架杆件的作用就变得次要。

(3)成拱状态(拱肋三环混凝土浇注完成)：劲性骨架则逐步成为拱圈截面混凝土的永久性配筋。

3 计算模型

本文采用大型通用软件ANSYS的“单元生死技术”[1-2]模拟本桥的施工过程,其优点是只需进行一次分析模型的建立,即在分析前一次性将成桥状态的全桥分析模型建立好,然后根据各个阶段的施工状况，通过激活或杀死单元以及设置相应的荷载步来模拟桥梁施工全过程。在分析过程中，可以通过局部处理将各个施工工况的单元内力和结点位移随时保存,供下一施工阶段使用。

3.1 单元类型的选择

目前在大部分通用有限元程序中,可以用于模拟钢管混凝土劲性骨架拱桥的单元类型有若干种。不同种类单元,在计算精度、构建模型的难易程度和计算量大小等诸方面存在较大差异。因此,如何针对钢管混凝土劲性骨架拱桥施工过程中各部位受力特点选择相应的单元类型是结构分析的关键。

本文主要基于以下原则来选择单元：①选取的单元必须能最大程度地模拟结构的受力特性；

②必须保证计算结果具有足够的精度；

③有限元模型建立要尽量简便,计算工作量要尽量小,进行结果处理时也要比较方便。因此,在该大桥施工过程的受力分析中共用到了ANSYS软件中的4种单元类型[2～6]。

①空间曲梁单元(beaml89)：主要模拟桁架拱肋的空钢管以及混凝土灌注后钢管内的混凝土。

②空间直梁单元(beam188)：模拟钢管桁架内的所有弦杆,拱肋间的横撑以及拱上立柱。

③壳单元(shell63)：模拟桥面纵梁以及拱顶框架。

④8结点的块体单元(solid65)：模拟拱肋钢骨架的外包混凝土。

3.2 有限元模型

在有限元建模过程中,把钢管混凝土看成钢管与混凝土的组合[6],生成共节点的两个单元,各自的材料特性与实常数根据实际情况取定。这种方法中，钢单元和混凝土单元是分开的,便于模拟施工过程。钢管内混凝土在未达到强度时,仅作为荷载作用于钢管上,按均布荷载进行处理；达到强度要求后,考虑混凝土的抗力,但不考虑钢管对管内混凝土的套箍作用。

外包混凝土和劲性骨架分别用块体元和空间梁元进行模拟,它们之间的共同作用通过共节点模拟。计算模型的选定过程,充分考虑了计算简图与实桥工作状态的一致性,主要体现在：

(1)骨架结构的杆件布置、连接情况、截面尺寸均保持与设计图纸提供的情况相同,没有添舍任何构件,也未改变各结点的设计位置,计算简图与提供的设计图一致。

(2)骨架外包混凝土采用块体单元模拟,保证了计算精度。

(3)把施工活载换算成集中力施加到各个节点上,并且考虑了风荷载,风荷载按照铁路桥涵基本规范计入,主桥施工过程中采用极大风速V=25 m/s,通过计算W=713 Pa。在每一个施工阶段内,用荷载增量法进行分析。施工过程的有限元模型见图2～图5。

图2 劲性骨架有限元模型

图3 施工过程中的有限元局部

图4 拱肋施工完毕后的模型

图5 全桥施工完毕后的模型

4 计算结果及分析

4.1 计算结果

计算时考虑结构的几何非线性而不考虑材料非线性。限于篇幅仅列出典型阶段的结果。骨架钢管应力见图7～图10,其中1号～4号钢管位置见图6所示。拱肋混凝土横截面正应力见图11～图13。

图6 拱肋钢管编号

图7 灌注上弦混凝土时拱肋钢管应力

图8 灌注完底板时拱肋钢管应力

图9 灌注完腹板时拱肋钢管应力

图10 灌注完顶板时拱肋钢管应力

图11 灌注完腹板时拱肋混凝土应力

图12 灌注完顶板时拱肋混凝土应力

4.2 结果分析

(1)拱肋骨架钢管除2号钢管拱脚局部出现拉应力外,均处于受压状态；在施工同一环外包混凝土时,都是随着施工阶段的增长压应力增加。

图13 恒载+双线满布活载作用下拱肋混凝土应力

(2)施工第一环混凝土时钢管应力增长比较快；第二环和第三环混凝土施工时,由于前一环混凝土达到强度要求，大大增加了受力面积,施工荷载主要由混凝土承担,使得钢管应力变化很小。

(3)拱肋混凝土在施工过程中均处于受压状态,底板混凝土压应力最大。随着施工的进展，底板混凝土压应力逐渐增加。成桥后在恒载+双线满布活载下，混凝土最大压应力出现在上坡端拱脚实心段顶部的内侧角点,最大值为-11.1 MPa,小于C50混凝土的极限强度,拱肋底板混凝土处于受力安全状态。

5 结束语

(1)劲性骨架钢管和外包混凝土均处于弹性阶段,选择的材料本构关系比较合理。

(2)劲性骨架在拱圈外包混凝土分环施工过程中的作用逐渐减弱。从分析中可以看出:在拱圈底板混凝土参加工作后,劲性骨架的作用就很小了。

(3)拱肋混凝土整个施工过程均处于受压状态,说明设计选择的拱肋曲线比较合理。

(4)在设计荷载作用下,拱肋混凝土的压应力呈现出越靠近拱脚应力越大的趋势,从材料均匀受力的角度看,还可以进一步优化截面。

[1] 李 亮,叶梅新.劲性骨架混凝土拱结构施工阶段的稳定性分析[J].山西建筑,2007(2):294-295

[2] 郑皆连,徐风云,等.广西邕宁邕江大桥千斤顶斜拉扣挂悬拼架设钢骨拱桁架施工仿真计算方法[C]∥中国公路学会1996桥梁学术讨论会论文集.北京：人民交通出版社,1996:214-228

[3] 吴进明.钢管混凝土拱桥施工技术研究及有限元分析[D].上海：同济大学,2006

[4] 张治成.钢管混凝土拱桥混凝土灌注阶段的受力仿真分析[J].工程力学,2007,24(02):146-153

[5] 颜东煌,赖敏芝,张克波,等.茅草街大桥基于ANSYS的空间计算模型[J].长沙交通学院学报,2003,19(2)

[6] 杨炳成,邬刚柔,刘 剑.大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥非线性分析[J].桥梁建设,2006(1):5-7