拱桥临时系杆力优化问题研究

尹 子 涛

(中铁九局集团有限公司第五工程有限公司，辽宁 大连 116600)

拱桥临时系杆力优化问题研究

尹 子 涛

(中铁九局集团有限公司第五工程有限公司，辽宁 大连 116600)

以某拱桥工程为例，提出了一种临时系杆力的优化设计方法，通过建立有限元模型，分析了拱肋施工过程中临时系杆力的变化情况，验证了优化方案的合理性，保证了施工的顺利进行。

拱桥，拱肋，应力，有限元模型

1 背景

近年来，随着科学技术的发展，桥梁的设计和施工技术水涨船高。施工技术方面，悬臂施工，顶推施工，转体施工等等先进施工技术逐渐成为主导力量，特别是无支架施工技术的发展使用，提高了拱桥在大跨径桥梁中的建设比例[1，2]。现代桥梁的飞速发展离不开桥梁施工方法的发展和创新，比如水泥的出现推动混凝土桥代替了石拱桥。钢材的出现使大跨径桥梁得以飞速发展并减轻了桥梁自重，悬臂施工技术使跨越道路时可以不影响桥下正常交通。随着桥梁施工技术的发展，在梁桥、斜拉桥等桥型施工中开创的悬臂施工法也可以用于拱桥的施工中，比如顶推法、悬索吊挂法等先进的施工方法[3,4]。施工方法对于拱桥的影响是决定性的，研究创新拱桥施工方法，对于拱桥的发展起到不可替代的作用[5]。

本文以某地大桥为参考，研究干沟大桥临时系杆优化问题。桥梁主干道的设计时速为60 km/h，该桥为下承式拱桥，桥梁全长272 m，桥宽34 m，该桥为混合梁式结构，主梁横断面为钢筋混凝土箱形截面，两端实体式。拱肋为钢箱梁，在主梁与拱肋连接部位设置连接段，材料为钢筋混凝土。桥梁设置纵坡1.5%，横坡0.8%，吊杆间距均为7.0 m。

2 有限元模型

由于该桥跨径大、自重大，根据受力分析可知拱肋的上缘受压，而下缘受拉，拉压共同作用导致拱桥拱肋向下挠曲，故为了保证桥梁施工安全，减小局部应力，在吊装桥拱肋的施工过程中需要设置一定数量的临时系杆。这些系杆力的大小会影响到成桥状态拱肋的应力，所以施工过程中临时系杆应力的大小会是关键工序之一。本文通过有限元模型的建立并分析，找到适合本桥的张拉顺序及各吊杆的张拉控制应力保证施工安全[6]。采用ANSYS软件进行桥梁数值仿真，该桥的有限元计算模型见图1。

3 分析计算

全桥有限元分析：计算可知，拱肋内部应力的大小受临时系杆内力影响比较明显。在建模计算过程中改变临时系杆应力的大小，可以得到相应情况下拱肋应力的极值范围，当临时系杆力控制在4 500 kN～13 500 kN之间而中段力在9 500 kN～17 500 kN之间时，对应的拱肋应力值见表1。

表1 拱肋成桥最大应力(系杆力不同)

4 优化措施及施工应用

由有限元计算结果分析可以看出，桥梁临时系杆加劲肋与桥梁结构拱肋底板连接处出现了较明显的应力集中，应力集中在工程结构中是很危险的。为了避免较大的应力集中对结构破坏，应对拱肋部分加强改进，通过改变不同参数最终确定拱肋的加强方案。即增加加强隔板1的厚度，厚度分别是15 mm，36 mm和55 mm。模型拱肋的应力大小如表2所示。

表2 拱肋应力

通过以上计算对比我们可以看出：

1)当加强隔板1加大的时候拱肋各部位的应力明显减小；2)加强隔板1的变大的时候，拱肋底板应力到一定程度后就不再发生变化；3)纵向加劲肋不因加强隔板1后的发生改变而改变；4)其自身的应力与厚度成反比。

根据计算分析可知，该桥梁最终选用的加强方案是：增加加强隔板1，厚度为36 mm。各部位应力图如图2，图3所示。

5 结语

通过建立有限元模型分析了拱肋施工过程中临时系杆力的变化，结合拱桥施工控制的原理和方法，得出了能指导施工张拉过程的最优的系杆应力大小。从计算结构可以看出，拱肋应力均小于195 MPa，满足钢结构允许应力，而拱肋内侧会产生应力集中现象。为使临时系杆张拉力均匀分散到拱桥拱肋上，必须对其内部进行加固处理。通过对优化模型的分析从而提出了设置加强隔板的位置和尺寸的最终解决方案，保证了施工顺利安全完成。

[1] 范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 徐小云.钢管拱桥的设计及施工工艺[J].山西建筑，2013，39(21):63-64.

[3] 张 承.特大桥钢管拱施工技术[J].山西建筑，2012，38(3):16-18.

[4] 刘振宇.大跨度梁拱组合桥梁结构优化分析[D].武汉:华中科技大学，2006.

[5] 王永安,刘世同.斜拉桥索力优化理论研究[J].公路，2006(5)：21-23.

[6] 顾安邦,张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京:机械工业出版社,2005.

Abstract: Taking some arch bridge as the example, the paper points out the optimal design approach for the temporary tied member force, analyzes the changes in the tied member force according to the establishment of the finite element model, and proves the optimal schemes are reasonable, so as to ensure the smooth operation in the construction.

Key words: arch bridge, arch rib, stress, finite element model

Research of arch bridge temporary bracing force optimization

Yin Zitao

(FifthEngineeringCo.,LtdofChinaRailwayNineBureau,Dalian116600,China)

2016-03-12

尹子涛(1970- )，男，工程师

1009-6825(2016)15-0175-02

U448.22

A