钢筋混凝土箱形拱桥施工控制仿真分析

郝继峰 姚 庆 耿永魁

(1.陕西通宇公路研究所有限公司，陕西西安 710000;2.陕西省交通规划设计研究院，陕西西安 710075;3.陕西凯达公路桥梁工程建设有限公司，陕西西安 710074)

1 工程背景

某桥为钢筋混凝土箱形拱桥，荷载等级:公路Ⅰ级，桥宽12 m，主跨采用净跨L0=66 m，净矢高f0=11 m，矢跨比为1/6的等截面悬链箱形拱桥。主拱圈为单箱三室整体现浇结构，顶板、腹板、底板厚均为0.2 m，箱高1.3 m。立柱支撑处拱圈设置0.6 m厚顺立柱支撑方向横隔板，两立柱之间加设一道0.2 m厚竖向横隔板。边跨及拱上行车道板采用现浇实心板。主拱圈及拱脚采用C40混凝土，拱座采用C30混凝土扩大基础，置于弱风化新鲜岩层内不少于0.5 m。主桥的总体布置图见图1。

图1 主桥总体布置图

2 仿真计算

2.1 计算模型建立

为了准确的计算桥梁在各阶段的受力情况，为施工监控提供准确的数据，采用MIDAS有限元软件进行计算分析，主拱圈底板、腹板、顶板、横隔板和立柱采用板单元，贝雷桁架片及横向联系槽钢、行车道板采用梁单元，计算模型如图2所示。

图2 主桥施工模型简图

模板等临时施工荷载以均布荷载形式加于贝雷桁架片上，施工过程中底板湿重以节点荷载的形式加于贝雷桁架片上，腹板及顶板湿重分别加于底板和腹板的相关节点上。现浇箱梁与拱架之间用只受压弹簧连接进行模拟。行车道板现浇支架临时施工荷载以分段均布荷载形式加于顶板单元上。桥面铺装及墙式护栏按均面荷载形式加于行车道板上。

2.2 施工阶段划分

按照拟定的施工顺序:在钢拱架上立模，现浇主拱圈，应按分段、分环和纵、横向对称均衡的原则进行加载。可按底板、腹板、顶板三环施工，前一环合龙并达到80%设计强度后，再进行下一环的施工。进行施工阶段划分，共划分为27个施工阶段，本文仅对浇筑完成底板、腹板、顶板混凝土，完成上部结构，运营5年等阶段的拱架及主拱圈结构计算结果进行介绍。

2.3 钢拱架计算

主拱圈现场就地浇筑，施工拱架采用贝雷桁架片拼装而成，主拱圈参与受力前，施工拱架作为主要承重构件承受主拱圈混凝土湿重及施工模板、机具等临时荷载。贝雷桁架片容许内力以贝雷桁架片力学性质决定，即弯矩、剪力和轴力的允许值为限值进行评价，在各施工阶段中贝雷桁架片任何部位的内力均不能大于该允许内力值，否则视为不满足要求。计算结果见表1～表5。

表1 施工拱架内力计算结果(弯矩)

表2 施工拱架内力计算结果(剪力)

表3 施工拱架内力计算结果(轴力)

表4 施工拱架应力计算结果

表5 施工拱架挠度计算结果

从上述计算结果可以看出，各施工阶段施工拱架的各项受力指标均满足材料允许值，且安全储备较大，安全可靠。

2.4 主拱圈计算

计算中对主拱圈混凝土及上部荷载按下列原则考虑，主拱圈各阶段计算结果见图3～图6，表6，表7。

图3 底板混凝土参与受力，腹板1浇筑

图4 腹板混凝土参与受力，顶板1浇筑

图5 顶板混凝土参与受力，拆除拱架

图6 桥面系施工

1)底板、腹板、顶板单元均根据实际施工顺序分环分段参与结构受力;2)在现浇主拱圈箱梁底板过程中(底板尚未形成强度)，将底板自重按底板湿重荷载进行处理，此时底板不参与结构受力;3)在现浇主拱圈箱梁腹板过程中(底板已经形成强度，腹板尚未形成强度)，将腹板自重按腹板湿重荷载进行处理，此时底板参与结构受力，而腹板不参与结构受力;4)在现浇主拱圈箱梁顶板过程中(腹板已经形成强度，顶板尚未形成强度)，将顶板自重按顶板湿重荷载进行处理，此时底板和腹板共同参与结构受力，而顶板不参与结构受力;5)为考虑设计活载作用的影响，行车道板按梁格法进行空间结构模拟。

表6 主拱圈应力计算结果

表7 主拱圈挠度计算结果

从上述图表可以看出，各施工阶段及成桥阶段主拱圈应力均为压应力，且均小于混凝土轴心抗压强度设计值，安全储备较大，结构受力状态良好;成桥后主拱圈挠度较大，应设置预拱度。由于在钢拱架拼装完成并组拼主拱圈底模系统后进行100%预压，可以完全消除其非弹性变形，而钢拱架在自重及主拱圈模板等施工荷载作用下的变形已经完成。调整主拱圈底模板标高时只考虑:钢拱架在主拱圈混凝土分段分层浇筑过程中的累计变形、钢拱架拆除后主拱圈在自重及后续拱上结构施工过程中累计变形、成桥后在运营荷载作用下的长期变形值(即成桥预拱度)。根据理论计算及经验，在跨中设成桥预拱度31.0 mm。预拱度按二次抛物线在孔内其他点分配。

3 结语

拱桥作为一种古老的结构形式在我国应用较为广泛，近年来，随着建筑材料及施工工艺水平的不断提高，拱桥的跨度不断增加，结合施工过程的仿真分析显得尤为重要。拱桥施工步骤较多，施工中各截面位移、应力不断变化，因此，在施工中开展监测监控工作，通过对各主要控制断面的应力、应变及变形的测量，能准确地了解该结构的各种构件在施工的每个阶段实际的受力状况，能及时发现问题，并采取相应的补救措施。准确、可靠的结构计算与实测数据互相校核、修正，是保证拱桥施工安全、成桥阶段受力状态良好的重要保障。

本文以某钢筋混凝土箱形拱桥为工程背景，通过建立实桥有限元模型，对该桥在施工过程中各个施工阶段的结构受力及变形进行分析，为施工提供准确、可靠的依据，也为同类桥梁的设计、施工提供了参考。

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