大跨度铁路钢管混凝土拱桥施工阶段受力特性分析

王东旭

（武九铁路客运专线湖北有限责任公司，武汉 430056）

钢管混凝土拱桥具有跨越能力强、施工便捷等特点，是大跨度公路及铁路桥梁的比选方案之一［1-3]。钢管混凝土拱桥拱肋施工方法主要有转体施工法、支架法、同步提升法、缆索拼装法等［4-5]。其中，缆索拼装法能有效解决地势条件差、场地狭小等难题，是大跨度钢管混凝土拱桥无支架施工中最常用的施工方法。采用该方法在山区或河谷［6]修建大跨径钢混混凝土拱桥时，施工过程中主桥结构的受力和变形一直是设计和施工人员关注的重点。李晔等［7]提出了斜拉索扣索索力优化模型，并以重庆朝天门大桥为背景，对各索扣在施工过程中的索力进行了优化。结果表明，施工期间索力对结构的线形合理性、稳定性和安全性有重要影响，索力实测值与理论优化值误差小于3%。郭鑫［8]通过对茅草街大桥施工过程的模拟和分析表明，扣索、背索的布置形式以及扣索索力对钢管混凝土拱桥的成桥状态影响显著，且优化缆风索的布置形式能有效增强主塔塔架的整体稳定性。郭金亮等［9]以主跨220 m 的钢管混凝土拱桥为研究对象，对拱肋吊装拼装过程中的合理线形及其控制方法进行了研究。施洲等［10]对藏木桥施工过程中缆索及塔架的非线性受力特性进行了研究，对比研究结论与理论计算结果发现主索滑移和塔架偏位对结构的受力有较大影响。刘宇飞等［11]以主跨575 m 的钢管混凝土拱桥为例，分析了拱肋施工过程中温度效应对拱肋线形的影响，并提出了减小拱肋施工阶段温度影响的方法。

本文以一座主跨430 m 的山区大跨度铁路钢管混凝土拱桥为例，采用MIDAS/Civil对该桥的实际施工过程进行模拟，并分析拱、梁等结构的受力与变形特征，为大桥施工控制提供技术资料。

1 工程概况

大跨度铁路钢管混凝土拱桥全长525.1 m，主跨采用430 m 中承式钢管混凝土提篮拱，为我国跨度最大的铁路钢管混凝土拱桥。结构总体布置见图1。

该桥拱肋平面内矢高为112 m，矢跨比为1∶3.84，拱轴系数为2.1，提篮拱肋的内倾角为4.6091°，拱顶和拱脚处上下游拱肋中心距分别为7，25 m。拱肋截面由4 根钢管混凝土组成，钢材等级为Q420，内填混凝土等级为C60。左右钢管横桥向中心间距均为3 m，每隔8 m 设置直径1.1 m 的平连杆进行连接。上下钢管采用变高度设计，拱顶和拱脚处内外层钢管中心高度分别为7.2，13.2 m，钢管中心高度按悬链线方程渐变过渡，上下钢管通过H 型钢或箱形杆件和整体节点板对拼连接。拱肋钢管采用变直径设计，拱脚局部钢管直径1.8 m，其余钢管直径1.6 m，中间设2 m 过渡段，拱肋壁厚为28～52 mm。主拱采用“一，N，K，米”字形相结合的横向支撑形式。为加强上下层横撑的连接和拱肋结构整体受力，在上下横撑之间设置竖向连接杆，拱肋横截面见图2。

图1 结构总体布置（单位：m）

图2 拱肋横截面（单位：m）

该桥主梁为单箱双室变高度预应力混凝土连续梁，混凝土等级为C55，边跨及次边跨为变高梁段，梁端及中支点梁高为3 m；1#，2#边主墩处梁高为4 m，变化段梁高以二次抛物线进行变化；主跨为等高梁段，梁高为3 m。边跨及次边跨箱梁顶板宽12 m，主跨箱梁顶板宽18 m。主跨从中支点起23.55 m范围内为变宽梁段，顶板宽由12 m 线性变化至18 m，底板宽由6.4 m线性变化至12.0 m。主跨梁段横截面见图3。

图3 主跨梁段横截面（单位：cm）

2 有限元模型

根据大桥划分的施工阶段，采用MIDAS/Civil软件建立有限元模型进行受力特性与变形特性分析，分析过程中未考虑施工控制的影响。有限元模型中采用梁单元对拱肋、主梁进行模拟，采用桁架单元对吊杆进行模拟。其中，主拱离散为1866 个梁单元，主梁离散为344 个梁单元，吊杆离散为86 个桁架单元。有限元模型中包含了起吊装作用和锚固作用的塔架、扣索等，塔架各组成构件采用梁单元进行模拟，缆风索、扣索等采用只受拉索单元进行模拟。根据实际情况使用弹性连接或刚性连接对模型约束，通过约束拱脚节点全部自由度来模拟拱座对拱脚的固结效果，采用固定铰支座及活动铰支座模拟桥墩对主梁的支承作用。

大桥采用斜拉扣挂无支架法施工，施工过程共划分为46 个施工阶段，见表1。首先在河两岸架设缆索体系，通过缆索体系吊装拱肋节段（节段1—节段14），待拱肋合龙并填充混凝土后一次性拆除扣索，再进行主梁施工，并依次张拉主梁预应力筋和吊杆。

表1 施工阶段

3 主桥和吊杆受力分析

3.1 主桥应力

按照施工阶段对拱肋及主梁受力特性进行分析，关键截面应力变化曲线见图4。

图4 关键截面应力变化曲线

由图4（a）可知：拱肋压应力随施工进程呈增大趋势，拱脚、1/4 拱肋、拱顶压应力在拆除扣索前（施工阶段17）增幅较小；一次性拆除扣索后，拱肋自重全部由自身承担，导致拱肋压应力明显增加。由于拱肋沿拱轴线方向采用不同直径的拱圈，且拱肋钢管厚度是渐变的，因此拱肋各关键截面压应力增幅比较均匀，且拱顶压应力大于拱脚压应力。主梁架设期间，拱脚、拱肋压应力增幅分别为35.4，21.0 MPa。

由图4（b）可知，由于该桥主跨梁节段对称施工，桥梁两侧相应主梁截面压应力差异较小。1#，2#墩附近的主梁截面在边跨浇筑过程中压应力水平较低，边跨合龙并拆除挂篮和支架后（施工阶段18），压应力增幅较为明显，平均增幅6 MPa。随着梁节段的浇筑，1#，2#墩附近截面压应力总体呈先减后增的规律，但整体变化幅度不大。表明由于吊杆的作用，梁节段浇筑对边跨梁截面的应力影响较小。主跨1/4 截面和3/4截面压应力较小，且小于边墩截面。随着梁节段的施工，压应力逐渐增加，但变化较为平缓；当梁节段合龙并张拉钢束后（施工阶段45），压应力突然增加，平均增幅4.5 MPa。合龙后边墩截面和主跨截面压应力差异较小，平均值为8.9 MPa，远小于设计值25.3 MPa。

3.2 吊杆应力

选取主跨一侧的部分吊杆进行应力分析，结果见图5。可知，随着施工的进行，新安装的吊杆拉应力始终大于该施工阶段之前安装的吊杆拉应力，且吊杆拉应力基本呈先增后减的规律。施工主梁合龙段以及施加二期恒载时（施工阶段45—46），距离塔梁结合部较近的1 号和2 号吊杆拉应力有明显增加，而远离拱梁结合部的吊杆在合龙后拉应力有所减小。原因是合龙后由于钢束的张拉导致跨中梁体上拱，靠近拱梁结合点的吊杆承担的荷载增加，远离拱梁结合点的吊杆承担的荷载减小。所有吊杆中，20 号吊杆的拉应力最大，其值为373.7 MPa，远小于规范限值1116.0 MPa。

图5 吊杆应力变化曲线

4 拱肋和主梁位移分析

4.1 拱肋竖向位移

拱肋采用吊装拼装法进行施工，整个分析过程中以拱肋空钢管在自重作用下的裸拱线形作为控制目标线形，即空钢管拱肋变形叠加合龙成拱的累积变形后刚好处于设计线形位置。施工过程中，左侧扣索索力为500～1416 kN，右侧扣索索力为483～1762 kN，扣索对应的拱肋节段序号越大，张拉索力越大，且同一扣索的索力随施工阶段的变化不大。典型施工阶段的拱肋竖向位移变化曲线见图6。其中横坐标0 点为拱顶对应位置。

图6 拱肋竖向位移变化曲线

由图6（a）可知，拱肋竖向位移往拱顶方向逐渐增大。在拱肋节段拼装施工过程中，竖向位移持续增加，当拱肋合龙时（施工阶段15），竖向位移最大值为-79.6 mm（位于拱顶），拱肋变形曲线呈U 形。当拱肋内灌注混凝土后（施工阶段16），在自重作用下拱顶竖向位移迅速增大，达到-121.2 mm，拱肋部分节段出现上拱，最大值为18.6 mm，位于主跨内距离右侧拱脚71 m 处。一次性拆除扣索后（施工阶段17），竖向位移分布规律与上一个施工阶段差异显著，但拱顶最大变形差异不大。越靠近拱顶，竖向位移越大，总体变形合理。

由图6（b）可知，随着主跨梁节段的浇筑和吊杆的安装，拱肋变形曲线从U 形变为W 形，再逐渐变为V形，即拱顶竖向位移先减小再增大。主跨合龙时（施工阶段45），拱顶最大竖向位移为-214.1 mm。施加二期恒载后（施工阶段46），拱肋竖向位移继续增大，拱顶最大竖向位移达到-253.7 mm。

4.2 主梁竖向位移

图7 主梁竖向位移变化曲线

已施工完成的主梁竖向位移随施工进程不断变化，主梁竖向位移变化曲线见图7。可知，随着施工的进行，已施工的梁体逐渐被后续施工的梁体抬升，甚至出现上拱。距主跨跨中160 m 的梁节段竖向位移由-10.1 mm（施工阶段28）变为30.5 mm（施工阶段44）。跨中合龙并张拉相应钢束后（施工阶段45），梁体最大竖向位移减小。跨中竖向变形合龙后比合龙前有一个明显的突变，这是张拉剩余预应力筋及张拉合龙块吊杆导致的。在实际施工过程中可以通过施工控制对竖向位移进行调整。施加二期恒载后（施工阶段46）整体竖向位移均有所增加，最大竖向位移达到-156.8 mm，挠跨比约为0.41/1000。

5 结论

1）拱肋应力随施工的推进逐渐增大，拱顶压应力大于拱脚压应力；成拱后拆除扣索时拱肋压应力明显增加；主梁架设期间，拱脚、拱肋压应力增幅分别为35.4，2 1.0 MPa。

2）由于该桥主跨梁段为对称施工，桥梁两侧相应主梁截面应力差异较小；成桥后主梁各截面压应力比较均匀，约为8.9 MPa，远小于设计强度25.3 MPa。

3）吊杆应力随施工进程不断重分布；成桥后20号吊杆拉应力最大，其值为373.7 MPa，远小于规范限值1116 MPa，满足设计要求。

4）拱肋混凝土灌注完成后，拱肋变形曲线呈U形，在主梁施工过程中则由U形变为W形，成桥后呈V形。主梁合龙时，拱顶最大竖向位移为-214.1 mm，施加二期恒载后，拱肋竖向位移进一步增大，拱顶最大竖向变形达到-253.7 mm。主梁整体变形中间大、两头小，施工过程中跨中最大竖向位移为-156.8 mm。