万能杆件钢拱架方案比选与数值分析

王诗青， 魏 民

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

当拱桥跨越V形山谷，拱桥跨径较大，且拱圈与谷底距离较大时，由于施工条件的限制性，钢拱架现浇法可以为这类拱桥的修建提供一种可行的方法且已经得到普遍应用。

万能杆件能够拼装成各种形式的支架或临时性设施，且承受各种变形。利用万能杆件按一定规则拼装施工临时性结构——钢拱架，在钢拱架上完成大桥的混凝土主拱圈分环分段的浇筑。

本文对钢筋混凝土箱拱桥拱圈施工过程中的万能杆件钢拱架进行研究，目的在于通过数值模拟分析不同截面方案对钢拱架力学性能的影响，为施工钢拱架的设计和优化提供参考。

1 项目概况

某大桥主桥为130 m钢筋混凝土箱拱桥，净跨径L0=130 m，净矢高f0=32.5 m，矢跨比f0/L0=1/4 。主拱圈采用悬链线等截面混凝土箱型拱，拱轴系数m=2.206，整体立面布置如图 1所示。拱圈采用单箱三室箱形截面，拱圈宽为9.5 m，拱圈高2.5 m；顶板、底板厚30 cm，边腹板厚35 cm，腹板厚30 cm，纵向每隔5 m左右设一道横隔板。主跨桥面宽度：2.0 m(人行道)+8.0 m(桥面净宽)+2.0 m(人行道)=12.0 m。主拱圈采用C50混凝土现浇砌筑，主拱圈横截面如图2所示。

图1 桥型布置示意图

图2 拱圈截面图

大桥主跨拱圈采用在拱架上分环分段砌筑法施工。拱架由A3 和16Mn 钢万能杆件以及Q235特制杆件及节点板拼成的空间桁架和拱盔构成，主拱圈分3环浇筑而成，每环又分成3段进行浇筑。拱圈浇筑完成后，在拱圈强度达到设计要求时进行落架。

2 万能杆件钢拱架方案

2.1 方案一

采用标准杆件拼装成4 m×8 m单片节段(标准单片节段)，如图3所示。采用特制杆件、标准杆件拼装成拱脚特制单片节段及单片拱顶合龙段。

图3 方案一钢拱架标准单片节段示意图(纵桥向)

单榀钢拱架由14片4 m×8 m标准节段、2片拱脚特制节段、单片拱顶合龙段以及节段间的特制节点板组成，钢拱架净跨为126 m，净矢高29.7 m，净矢跨比F/L=0.236，如图4所示。

图4 方案一单榀钢拱架分段图

全桥横向布置12榀钢拱架拱片，两榀中心间距1.0 m，拱架全宽11 m。两榀横向用特制节点板以及特制杆件连接，如图5所示。

图5 方案一钢拱架横桥向连接示意图

2.2 方案二

采用标准杆件拼装成6 m×8 m单片节段(标准单片节段)，如图6所示。采用特制杆件、标准杆件拼装成拱脚特制单片节段及单片拱顶合龙段。

图6 方案二钢拱架标准单片节段示意图(纵桥向)

单榀钢拱架由14片6 m×8 m标准节段、2片拱脚特制节段、单片拱顶合龙段以及节段间的特制节点板组成，钢拱架净跨为122.5 m，净矢高28.1 m，净矢跨比F/L=0.229，如图7所示。

图7 方案二单榀钢拱架分段图

全桥横向布置7榀钢拱架拱片，两榀中心间距2.0 m，拱架全宽12 m。两榀横向用标准节点板以及标准杆件连接，如图8所示。

图8 方案二钢拱架横桥向连接示意图

3 有限元模型

本文采用MIDAS/Civil建立有限元模型，万能杆件采用梁单元进行模拟，拱圈采用板单元进行模拟。拉索及缆风索均用桁架单元进行模拟。钢拱架和拱圈底板采用刚性连接。方案一模型如图9所示，方案二模型如图10所示。

图9 方案一模型图

图10 方案二模型图

计算荷载考虑了自重、施工荷载、风荷载、缆风索初拉力荷载以及温度荷载。自重包括钢拱架及钢筋混凝土拱圈的自重。施工荷载考虑到拱盔、施工设备以及人员等在施工过程中对结构体系产生的影响，在整个拱圈底板面施加6 kN/m2的均布荷载，通过拱圈底板传递给钢拱架。根据《公路桥梁抗风设计规范》 (JTG/T D60-2004)计算得到风荷载大小F=1.9 kN/m。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，合龙温度15℃，温度荷载采用升温31 ℃、降温24 ℃定义。缆风索初拉力荷载为80 kN(在数值模拟分析过程中，缆风索的初拉力为80 kN，在施工过程中应当根据钢拱架的吊装过程的实测数据进行调整)。

各施工阶段的荷载组合： 1.0自重+1.0施工荷载+1.0风荷载+1.0缆风索初拉力荷载

PostCS荷载组合：① 1.2恒荷载+1.0升温;②1.2恒荷载+1.0降温 (其中自重、施工荷载、风荷载、缆风索初拉力荷载均为恒荷载)

分为20个施工阶段，CS 1～CS 8施工阶段模拟节段1～节段8拱架的缆索吊装，CS 9施工阶段模拟钢拱架合龙(节段9吊装)，CS 10 施工阶段模拟扣索拆除。

拱圈纵桥向分三段现浇，CS 11～CS 13施工阶段模拟拱圈一环一段、一环二段、一环三段现浇施工，CS 14～CS 16施工阶段模拟拱圈二环一段、二环二段、二环三段现浇施工，CS 17施工阶段模拟拱圈横隔板现浇施工，CS 18～CS 20施工阶段模拟拱圈三环一段、三环二段、三环三段现浇施工。

4 分析结果

4.1 方案一分析结果

方案一PostCS荷载组合②(1.2恒荷载+1.0降温)状态的应力如图11所示，最大压应力为146.7 MPa、最大拉应力为77.4 MPa，满足规范要求。

图11 方案一PostCS钢拱架应力图(降温)

PostCS钢拱架应力最大值及位移最大值参表1。

表2 方案一PostCS钢拱架应力最大值(MPa)及位移最大值(cm)

方案一拱圈分环分段浇筑阶段,钢拱架各杆件应力最大值以及位移最大值参见表2，各施工阶段稳定系数参见表3。

表2 钢拱架各杆件应力最大值(MPa)以及位移最大值(cm)

表3 各施工阶段稳定系数

弦杆、立杆、斜杆以及横向连接的应力图如图12～图15所示。

图12 弦杆应力图

图13 立杆应力图

图14 斜杆应力图

图15 横向连接应力图

分析结果表明:方案一的钢拱架的强度、刚度及稳定性均能满足主拱圈正常施工要求，并且该钢拱架能够满足规范规定的风荷载、施工荷载、温度荷载、缆风索初拉力荷载及拱圈自重荷载组合作用下的承载力要求。

4.2 方案二分析结果

方案二PostCS荷载组合②(1.2恒荷载+1.0降温)状态的应力如图16所示，最大压应力为281.4 MPa、最大拉应力为314.8 MPa，不满足规范要求，其他分析结果不再赘述。

图16 方案二PostCS钢拱架应力图(降温)

5 结 论

(1)通过对方案一钢拱架的每个施工阶段计算分析，强度、刚度、稳定性均满足要求，此方案用于拱圈的现浇施工是可行的。

(2)方案二较方案一每一榀增加一层主要承力杆件弦杆，从分析结果来看，增加一层弦杆对于承受拱圈的重量并没有明显提升(数值分析不能通过)。