基于不同施工方法的大跨径劲性骨架拱桥受力特性研究

孙文会 陈鹏柱 黄柏杨 杨茂开 梁化森

(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308； 2.烽火通信科技股份有限公司 武汉 437000；3.武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉 430040； 4.中铁十五局集团第四工程有限公司 郑州 450000)

随着国家交通基础设施建设步伐的加快，大跨径桥梁的建设数量与建设规模日益扩大，然而大跨径桥梁施工中的问题也逐渐凸显出来。在桥梁施工过程中，每一个施工阶段，结构的线形都在发生变化，结构的各个部位的受力也在发生变化[1-2]。施工方法的确定是连接大跨径桥梁设计与施工的重要环节。大跨径桥梁施工方法的优化对施工周期、成桥状态和建设质量起着决定性的作用[3-4]。因此需要合理的优化施工方法，减小施工方法对桥梁构件的内力影响。北盘江特大桥主拱采用钢管混凝土劲性骨架法施工，施工过程结构体系转换多，结构复杂、工程规模大、施工步骤特别多、控制难度大、控制因素多[5-7]。本文以北盘江特大桥为例，对比分析桥梁在不同施工方式下的受力状况；以期对同类型桥梁的设计和施工提供一定的指导。

1 工程概况

沪昆客运专线长沙至昆明段的北盘江特大桥全长727.3 m，是目前世界跨度最大的劲性骨架钢筋混凝土拱桥。该桥主跨445 m，矢高为100.0 m。主跨由4片桁式拱肋组成，拱肋上下连接系之间的中心距离为8.0 m，拱肋上下钢管之间的中心距离为7.95 m，腹杆、横联、平联等杆件采用组合角钢连接。拱肋节段从拱脚到拱顶大桥两侧各20个节段，跨中设1 m合龙段，全桥共41个吊装节段。拱圈为单箱三室、等高、变宽箱型截面，拱圈高度9.0 m，拱顶315 m段为18 m等宽，拱脚65 m段为18～28 m变宽，拱圈变宽由左右2个边室的宽度变化来实现。拱箱中间箱室采用980 cm 等宽截面，左右2个边箱室采用350～850 cm的变宽，同一截面中箱和边箱顶底板采用不同的板厚，其桥型布置见图1。

图1 北盘江特大桥桥型布置图

2 有限元计算模型

为了研究大跨度劲性骨架拱桥按照不同施工方法在不同施工阶段的受力特性，本文采用midas Civil软件对北盘江特大桥施工阶段进行分析。钢骨架用梁单元模拟，扣索用桁架单元模拟，外包混凝土用板单元模拟。边界条件为扣索锚固点和拱脚预埋段固结约束。主梁桥起始端约束竖向和横向位移及侧向转角，末尾端约束两向位移(释放纵向)及侧向转角约束。全桥共有3 654个节点，15 161个单元(其中有8 745个梁单元，6 264个板单元、152个只受拉单元)，计算未考虑钢管内灌及外包混凝土收缩徐变，计算模型见图2。

图2 全桥midas计算模型

3 有限元模型施工阶段分析

3.1 施工方式对比分析

北盘江特大桥主桥上部构造安装方案先采用缆吊辅助进行劲性骨架斜拉扣挂悬拼施工，再依次进行管内混凝土和外包混凝土施工，最后施工拱上结构。具体如下：①拱肋悬拼，大桥两岸分别自拱座第1节段开始对称向跨中拼装至第20节段；②拱肋合龙，根据合龙口尺寸下料、制造合龙段实施主拱肋合龙；③灌注钢管混凝土；④分阶段外包混凝土；⑤立柱施工；⑥主梁施工。在阶段④分阶段外包混凝土中，根据现场施工的实际情况，采用不同的扣索和外包混凝土方式，拟按照2种不同的施工方式施工。方式I先分3个工作面浇筑底板混凝土，再浇筑拱脚74 m范围内全断面外包边箱外包混凝土，然后分2个工作面外包拱肋上半段边箱腹板、顶板混凝土直至合龙；最后分3个工作面立模浇筑拱圈中箱底板、顶板混凝土直至合龙；方式II先分3个工作面浇筑底板混凝土，再浇筑拱脚44 m范围内全断面外包边箱外包混凝土，然后分2个工作面外包拱肋上半段边箱上腹板和下腹板、顶板混凝土直至合龙；最后分3个工作面立模浇筑拱圈中箱底板、顶板混凝土直至合龙。施工方式I采用12根二次扣索，而施工方式II采用9根二次扣索，因此，施工方式II更方便快速。

3.2 施工阶段分析

北盘江特大桥按照不同的施工方式，分别建立有限元模型。北盘江特大桥按照2种不同的施工方式施工到同一节段的典型不利施工阶段如下：①钢管骨架合龙；②拆除骨架扣索；③灌注钢管内全部混凝土；④浇筑全部边箱底板；⑤张拉全部二次扣索；⑥浇筑全部边箱腹板；⑦浇筑全部边箱顶板；⑧拆除全部二次扣索；⑨浇筑全部中箱底板；⑩浇筑中箱隔板；○11浇筑全部中箱顶板；○12施工拱上主墩；○13施工拱上主梁；2种不同的施工方式的主要区别见图3、图4。

图3 施工方式I

图4 施工方式II

在不同施工阶段条件下，拱肋钢管最大压应力和拱肋钢管内混凝土的最大压应力分别见图5、图6。

图5 拱肋钢管最大压应力图

图6 钢管拱内混凝土最大压应力图

由图5可见，随着施工过程的不断推进，不同施工方式对应的钢管拱最大压应力不断增大，两者的增长规律一致。在施工拱上结构以前，钢管的最大压应力增大比较缓慢[8-9]。在不同的施工阶段下，施工方式I的钢管最大压应力基本都小于施工方式II，但两者相差不大。拱肋钢管压应力在施工拱上主梁时达到最大，最大值为316.0 MPa，该值小于钢材容许压应力，满足要求。

由图6可见，随着施工过程的不断推进，钢管内混凝土的最大压应力不断增大。在不同施工阶段，施工方式I的钢管内混凝土最大压应力基本都小于施工方式II，但两者数值相差不大。拱肋钢管内混凝土的最大压应力在施工拱上主梁时达到最大，除了立柱作用点附近内灌注混凝土的应力偏大是由于应力集中现象引起的以外，其余最大压应力为32.0 MPa，该值小于C60钢管混凝土容许压应力，满足要求。

在不同施工方式条件下，不同施工阶段的外包混凝土板最大拉应力和最大压应力见图7、图8。

图7 外包混凝土板最大拉应力图

图8 外包混凝土板最大压应力图

由图7可见，在不同施工工况下，施工方式I的外包混凝土板最大拉应力变化幅度较大，而施工方式II的外包混凝土最大拉应力不断增大。施工方式II相对于施工方式I减少了3根二次扣索，因此施工方式II施工更快捷。在不同施工阶段，施工方式II外包混凝土板的最大拉应力基本都小于施工方式I。施工方式II外包混凝土拉应力在浇筑边箱下腹板时达到最大，最大拉应力0.7 MPa，该值小于C60钢管混凝土容许拉应力，满足要求。

由图8可见，随着施工的不断进行，外包混凝土板的最大压应力不断增大。施工方式I在各个不同的施工阶段外包混凝土板的最大压应力基本都小于施工方式II，但两者相差不大。外包混凝土压应力在施工拱上主梁时达到最大，最大压应力为19.5 MPa，该值小于C60混凝土容许压应力20 MPa，它是由于应力集中现象引起的[10-11]。而除此之外，在拱顶处附近其压应力达到最大，最大压应力值为18.8 MPa，该值小于C60钢管混凝土容许压应力，满足要求。

2种不同的施工方式在各施工阶段的主拱圈最大竖向位移见图9。

图9 主拱最大位竖向移图

由图9可见，随着施工的不断进行，主拱圈最大竖向位移不断增大，2种施工方式的增长规律一致。在浇筑全部边箱顶板以前，主拱最大竖向位移增大比较快；施工方式I在各个不同的施工阶段主拱最大竖向位移基本都小于施工方式II。主拱最大竖向位移在施工拱上主梁时达到最大，最大值为-421.0 mm，发生在靠近跨中处。

3.3 运营阶段

在运营阶段，外包混凝土最大拉应力为1.0 MPa，发生在拱脚处局部范围；最大压应力为25.9 MPa，发生于4号立柱局部范围内这是由应力集中现象引起的，可以通过适当的配筋加强；除此之外，在拱顶处附近其压应力达到最大，最大压应力值为20.3 MPa。在运营阶段，骨架钢管压应力最大值为328.0 MPa，最小为25.9 MPa。拱肋钢管内混凝土最大压应力除了立柱作用点附近内灌注混凝土的应力偏大是由于应力集中现象引起以外，其余最大压应力为35.0 MPa，出现在靠近跨中处，钢管管内混凝土及混凝土板应力见表1。

表1 运营阶段应力变化表 MPa

注：压应力为负，拉应力为正，无拉应力时给出最小压应力数值。

4 结论

1) 通过对比分析2种不同施工方式条件下拱肋钢管及其钢管内混凝土的最大压应力。钢管和管内混凝土的最大压应力随着不断施工而逐渐增大；在不同施工阶段状态下，施工方式I的拱肋钢管及其钢管混凝土的最大压应力基本都小于施工方式II，但两者相差不大，施工方式II外包混凝土板的应力更均衡。拱肋钢管及其钢管内混凝土最大压应力在施工拱上主梁时达到最大，发生在靠近跨中处。但施工方式II相对于施工方式I减少了3根二次扣索，施工更方便快捷。

2) 主拱最大位移随着不断施工而增大，但施工方式I在各个不同的施工阶段主拱最大位移基本都小于施工方式II。主拱最大位移在施工拱上主梁时达到最大，发生在靠近跨中处。

3) 在运营阶段，外包混凝土的最大拉应力和最大压应力分别发生在拱脚处局部范围和在靠近拱顶处。骨架钢管最大压应力，发生在靠近跨中处；内灌混凝土最大压应力发生在靠近跨中处。