利用既有老桥吊装梁拱组合结构新桥的受力分析

（安徽省引江济淮集团有限公司，安徽合肥 230601）

近些年，我国交通建设飞速发展，交通客运流量逐渐增大，部分老式桥梁已经无法满足我国日益增长的客运流量需求[1]。为了更好地服务于现代交通，可采用吊装结构自重轻、施工工期短、跨径灵活、造型优美、受力合理的梁拱组合桥，对老式桥梁进行优化或替换[2-3]。随着我国桥梁建设不断发展，梁拱组合桥的施工难度不断加大，其施工存在很多工况，如跨越河流、铁路、高速公路等，在桥梁施工中占据重要的位置[4]。梁拱组合桥按照结构的支撑形式可分为简支梁拱组合体系桥、单悬臂梁拱组合体系桥、连续梁拱组合体系桥等。梁拱组合桥施工过程中需要考虑合理的成桥状态，应对结构的受力情况进行周密计算，其建设已逐渐成为我国公路建设的主要形式，提高了国家公路建设的效率，对公路建设产生了积极意义[5]。相较于直接跨河流、铁路等吊装梁拱组合桥施工，在既有老桥上开展梁拱组合桥吊装施工难度较大，需考虑下部老桥受力情况。本文以引江济淮工程巢湖路桥施工为背景，对梁拱组合桥吊装施工方案进行研究，对梁拱组合桥在永久和可变荷载作用以及荷载组合下的受力情况等进行了分析。

1 工程概况

引江济淮工程巢湖路桥横跨派河，上游约为840 m，下游约为470 m。桥位处有一座5 m×20 m预制空心板桥，桥面宽为33.0 m。

桥下通航净宽和净高均不满足通航要求，需应在老桥主梁搭设临时支架并进行新桥梁拱组合桥吊装施工，包括钢箱梁、钢拱肋、预应力钢绞线吊杆、预应力钢绞线系杆等。梁拱组合桥桥型为下承式连续梁系杆拱桥，跨径为（50+135+50）m，主桥长235.0 m，宽38.5 m。

巢湖路新、老桥位置关系如图1所示。

图1 巢湖路新、老桥位置关系（单位：mm）

2 梁拱组合桥安装施工

2.1 钢箱梁安装施工

钢箱梁吊装前，将构件进行分段，梁纵向分成9段，标准段长为12 m，跨中段为7.4 m，钢混段为10.3 m，箱梁断面宽为38.5 m，沿宽度方向分成11个小箱体。

吊装时，先搭设一侧钢混段支架，吊装钢混段钢梁，再进行混凝土施工和预应力张拉，之后从一端向另一端搭设标准段支架，再进行标准段钢箱梁的吊装。往后依次进行支架搭设及钢箱梁的吊装，直至另一端钢箱梁吊装完毕。进行钢箱梁吊装时，横向断面安装顺序由中间向两侧安装，钢箱梁全部安装完毕后，开始进行系杆张拉施工。

2.2 拱肋安装施工

拱肋吊装前，先进行临时支架的安装，临时支架从两端向中间进行安装。安装完毕后利用汽车吊先进行拱肋根部节段吊装，两侧成对称吊装，主、幅拱同时吊装，再进行斜撑与横撑的安装。

3 BIM技术概述与Revit建模

随着我国桥梁建设的不断发展，现代桥梁结构愈发复杂，建设难度越来越大，BIM技术的加入解决了桥梁施工中的困难[6]。

相对于传统施工管理方法，BIM技术实现了3D模型与现场施工作业的高度匹配，充分提升了管理效果。BIM技术可模拟桥梁碰撞设计、场地布置、施工进度，可以进行精确快速的计算，得到工程量，BIM技术现在已经广泛运用在桥梁建设中[7]。

目前，Revit软件已被社会各界广泛使用，Revit建立梁拱组合体系时，主要依靠梁拱组合体系体量化建模、对整体结构参数化模拟。体量化建模时可使用体量工具对梁拱组合体系、体系中各部件进行初步定形，使模型的建立更具系统性。参数化建模可通过对梁拱组合体系进行变化参数等操作，以实现3D模型的参数化模拟。体量化与参数化的结合，使Revit建模更具说服力。

Revit建立梁拱组合桥前，应测量施工场地、桥墩位置与周围建筑物的关系，可通过实际测量的数据对梁拱组合桥模型进行初步建立。

为了提高3D建模效率，应对3D模型进行底图处理，将底图从画图软件CAD中导入Revit项目中，再对组合体系各部件、桥面附属构件进行建模。

通过BIM可视化编程实现BIM参数化，提高建模质量。执行BIM标准，可实现从实例到Revit软件建模的良好转换，确保模型的精细化[8]。

拱部件的BIM模型如图2所示，梁部件的BIM模型如图3所示。

图2 拱部件BIM模型

图3 梁部件BIM模型

梁拱组合桥整体模型渲染如图4所示。

图4 梁拱组合桥BIM模型渲染图

4 MIDAS/Civil有限元计算分析

在老桥上部进行梁拱组合桥安装施工，需要考虑众多工况对老桥的影响。为了研究梁拱组合桥施工过程中的受力情况，将梁拱组合桥BIM模型导入MIDAS/Civil，并进行有限元分析计算。

梁拱组合桥有限元模型如图5所示。

图5 梁拱组合桥有限元模型

4.1 老桥验算

在钢箱梁安装过程中，老桥墩顶支架单根钢管桩最大反力为41 t，跨中支架的单根钢管桩最大反力为14 t。汽车吊上新桥桥面安装拱肋时，老桥墩顶处支架单根钢管桩最大反力为70 t。

在该荷载作用下，老桥截面弯矩小于截面抗弯允许值，安全性满足要求。

钢箱梁安装到拱肋安装过程中，施工临支架支反力结果如表1所示。

表1 临时支架支反力结果 单位：t

4.2 新桥主梁验算

桥梁在建造过程中受到永久荷载与可变荷载共同作用，对梁拱组合桥结构恒载、基础沉降、可变荷载中的汽车荷载、温度影响进行有限元计算。

结构自重取值γ1=26 kN/m3，二期荷载包括桥面铺装、防水和排水设施等，总计γ2=5 kN。

基础沉降按每个基础沉降的最不利荷载组合进行计算，基础分别考虑最大沉降量为0.01 m。

考虑巢湖路梁拱组合桥只有一个固定支座，均匀温度变化对桥内力不构成影响，故仅考虑梯度温度的影响；车道荷载为城市A级，结构基频f=0.567 Hz，冲击系数μ=0.5。

温度梯度取值如表2所示。

表2 温度梯度取值

永久荷载作用下，恒载弯矩如图6所示，基础沉降弯矩如图7所示。

图6 恒载弯矩图

图7 基础沉降弯矩图

可变荷载作用下，温度梯度弯矩如图8所示，移动荷载弯矩如图9所示。

图8 温度梯度弯矩图

图9 移动荷载弯矩图

对梁拱组合桥进行承载能力极限状态计算。承载能力极限状态下荷载效应组合表达式为：

恒载产生最大弯矩为2.6×104kN·m，基础沉降产生最大弯矩为4.1×104kN·m，温度梯度变化产生最大弯矩为7.7×104kN·m，移动荷载产生最大弯矩为6.8×103kN·m。

承载能力极限状态下，梁拱组合桥产生的最大弯矩值为9.4×104kN·m，均小于16.7×104kN·m；产生的最大剪力值为6.4×103kN＜Vdu=3.0×104kN，结果均满足要求。

结构内力计算结果弯矩如图10所示，剪力如图11所示。

图10 弯矩图

图11 剪力图

4.3 新桥拱圈验算

梁拱组合桥建造过程中，体系中拱圈的受力情况对梁拱组合桥具有较大影响，因此，对体系中拱圈内力进行计算：

计算得γN＜Nud，Nud=14 141.36 kN，拱圈抗压承载力满足要求。

5 结语

为研究在既有老桥上开展梁拱组合桥吊装施工技术和新、老桥受力情况，以引江济淮工程巢湖路桥施工为工程背景，对梁拱组合桥安装施工方案进行了总结。通过Revit建立梁拱组合桥BIM精细化模型，将BIM模型导入有限元软件MIDAS/Civil中，对老桥墩顶、跨中钢管支架最大反力进行计算，对新桥主梁在永久、可变荷载作用及荷载组下产生的内力进行有限元分析计算。

（1）新桥安装过程中，老桥跨中支架的单根钢管支架最大反力为14 t。

汽车吊上新桥桥面安装拱肋时，老桥墩顶处单根钢管支架最大反力为70 t。

在该荷载作用下，老桥截面弯矩小于截面抗弯允许值，安全性满足要求。

（2）承载能力极限状态下梁拱组合桥主梁所受最大弯矩值为9.4×104kN·m＜Mdu，Mdu=16.7×104kN·m；

最大剪力值为6.4×103kN＜Vdu，Vdu=3.0×104kN，结果均满足要求。

（3）梁拱组合桥拱圈截面最大轴力组合为14 141.36 kN，抗压承载力满足要求。