特大桥1~140m先拱后梁系杆拱桥施工技术应用效果有限元分析

边向平

（中铁十七局集团第一工程有限公司，山东 青岛 266555）

0 引言

特大桥泛指多跨径总长超过1000m 或者单跨径大于150m 的公路桥梁，并且桥长在500m 以上，由于该类桥梁跨径较大[1]，因此施工过程中容易发生变形，影响成桥后的桥梁承载力，降低桥梁使用寿命[2]。因此，为保证该类桥梁的施工效果，需针对工程情况以及使用需求，选择合理、科学的施工技术[3]。系杆拱施工也称为简支梁拱组合体系的施工，其整体分为两种方法[4]，一是先拱后梁，二是先梁后拱。系杆拱施工技术能够将预应力施加在系梁内，以此完成拱肋推力的抵消[5]，避免桥墩或者桥台承受推力，降低桥台位移、拱顶下降以及拱肋开裂等问题的发生[6]。

本文为研究西苕溪右线特大桥工程系杆拱施工技术的施工效果，利用MIDAS Civil有限元分析软件构建桥梁有限元模型，开展该桥梁的纵向主梁应力-应变分布以及整体抗倾覆性能分析，为该类工程施工提供相关参考。

1 工程概况

新建商合杭铁路西苕溪右线特大桥跨越长兴港1~140m系杆拱，桥址位于浙江省湖州市吴兴区境内，地貌单元属冲湖积平原、低丘及山前坡洪积斜地组成的平原，地形相对平坦。根据勘探揭露地层为第四系全新统人工填土、第四系全新统冲湖积黏性土、第四系全新统海相沉积软土、第四系全新统冲海积软土、第四系上更新统冲洪积黏性土及碎石类土，下伏基岩为侏罗系上广德组凝灰岩、闪长玢岩、二叠系长兴组、二叠系上统龙潭组灰岩及粉砂岩。

桥梁设计里程为DK710+139.628~DK710+283.078（梁缝分界线里程），采用先拱后梁的方法施工。河道与线路大里程方向夹角49°。桥梁下部为钻孔灌注桩基础、矩形承台、凸形桥墩。主桥布置一孔140m平行系杆拱桥，梁全长142.6m，计算跨长为140m，矢跨比为f/1=1/5，拱肋平面内矢高为28m，拱肋采用抛物线线型，1~140m系杆拱桥型布置图如图1所示。

图1 系杆拱桥型布置图

YDK710+153.4～YDK710+281范围内为长兴港，河道与线路大里程夹角为49°，通航净宽101.9m，净高7m，通航水位2.66m，测时水位1.67m。地下水类型为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。

2 先拱后梁系杆拱施工方案

本文采用先拱后梁系杆拱施工工艺完成主桥施工，其整体流程如下：

（1）桥梁工程主孔基础以及桥梁墩柱施工，完成临时索以及墩梁临时固结钢材；同时完成支架基础施工、搭设，并对于支架进行预压和调整。在此基础上，完成拱脚段钢拱肋的预埋施工以及钢构件位置固定，并对拱脚进行混凝土现浇施工。

（2）当混凝土临时固结后进行两端边拱肋钢管安装，并且安装时采用对称方式。完成安装后，对拱肋线型进行检查。

（3）以现浇混凝土系梁为基础，搭设支撑，浮吊设备进行拱肋吊装，并依据设计方案结果，对吊装的各个接头标高进行校核，保证中间大节段钢管拱的张提吊装效果。采用焊接工艺对每一个接头进行焊接，并且将大节段水平拉杆拆除。

（4）将系梁上的临时支架拆除，继续拧系杆安装，为避免安装时其自重影响下发生显著下垂情况，将钢丝绳安装在拱肋和系杆索之间，形成拉力。其中系杆的施工情况如图2所示。

图2 系杆施工

（5）系杆支撑吊索完成后，采用泵送方式将混凝土浇筑在拱肋上管管内，进行养生处理后，使混凝土强度达到设计强度的80%。并且采用泵送方式将混凝土浇筑在肋腹板内，浇筑时需保证其对称和均匀性，避免腹板发生外鼓情况；对该浇筑混凝土进行养生，使混凝土强度达到设计强度的80%。

（6）在达到强度标准的钢管混凝土上，对系梁进行张拉处理，在阶段内施加横向预应力索，并完成混凝土灌浆处理，强度达到设计的90%后，进行系杆张拉，拆除对应的系梁支架。

（7）移动挂篮，完成系梁横向风缆安装，并按照顺序依次完成其他系梁两端施工，同时完成系梁上吊杆安装，进行该段对应的系梁混凝土浇筑，混凝土强度达到设计的95%后，进行横向预应力张拉以及压浆施工，在此基础上，进行吊杆安装，吊杆施工结果如图3所示。

图3 吊杆施工结果

（8）对系梁合拢段进行混凝土浇筑，混凝土强度达到设计的95%后，进行横向预应力张拉以及压浆施工；拆除挂篮，并且墩梁临时固结后，完成剩余吊杆安装；拆除系杆支撑吊索，并进行吊杆索力复查以及调整，使其满足工程的设计标准。合拢段施工结果如图4所示。

图4 合拢段施工结果

（9）分批进行系梁其他预应力的张拉，并且张拉时为对称张拉，判断其结果是否满足设计标准。对横向索和预应力管道分别进行张拉和压浆处理后，将二次荷载施加在桥面上，以此检测吊杆索力。

（10）最后进行钢管防锈处理，完成桥梁施工。

3 施工性能检算

3.1 检算依据与荷载设定

施工性能检算依据为以下7项：

（1）《140m系杆拱梁端支架图纸》；

（2）《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》（TB 10110-2011）；

（3）《铁路桥涵钢结构设计规范》（TB 10002.2-2005）；

（4）《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB 50204-2002）；

（5）《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005/J460-2005）；

（6）《建筑施工计算手册》（第二版）；

（7）《路桥施工计算手册》。

钢筋混凝土容重26kN/m³；混凝土振捣荷载2kN/㎡；模板荷载0.5kN/㎡；方木容重7.5kN/m³；钢材容重78.5kN/m³。

3.2 性能验算

完成施工后，利用MIDAS Civil有限元软件构建桥梁有限元模型（如图5所示），分析该桥梁的相关性能。

图5 有限元模型结果

该模型在构建过程中，整体由482个节点、524个单元组成，主要对两个方面进行分析：

（1）模拟桥梁整个架设过程，计算在不同荷载作用下桥梁各个构件的应力变化情况。

（2）以施工过程中的检测数据作为依据进行相关分析，对有限元模型进行调整，进一步完成桥梁应力变化计算和分析。

拱肋验算：纵向主梁作为桥梁的重要构件，影响桥梁承载性，因此分析拱肋的应力变化情况，在纵向主梁上安装弦式应变计，获取纵向主梁在荷载作用下的应力、应变关系，获取纵向主梁截面应力结果。纵向主梁结构在荷载作用下其和钢弦丝之间的自振频率f关系，可采用该频率的三次多项式函数描述，其计算公式为：

式中：λ——钢弦应变；A、B、C、D均表示待定系数。

采用最小二乘方法对弦式应变计获取的数据进行计算，以此确定A、B、C、D系数结果，即可完成公式（1）的拟合，在此基础上，获取应力和应变之间的关系，其公式为：

式中：E——弹性模量；

φ——钢弦应力。

整体抗倾覆验算：

对支架结构组合风载进行整体抗倾覆稳定性分析，根据《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》（TB 10110-2011）标准进行判断（结构抗倾覆稳定系数κ不小于1.5），κ计算公式为：

式中：Mq——风荷载产生的倾覆力矩；

Mk——结构内力。

4 试验结果分析

4.1 组合应力分析

获取纵向主梁在荷载作用下的组合应力分布结果，如图6所示。

图6 纵向主梁组合应力结果

依据图6试验结果可知：纵向主梁的最大应力结果为216.35MPa，并且应力分布状态为主梁对称分布，因此应力较为平衡，满足施工要求。

4.2 整体抗倾覆分析

获取桥梁施工后在不同的竖向力作用下，结构抗倾覆稳定系数κ的计算结果，如图7所示。

图7 结构抗倾覆稳定系数的计算结果

依据图7试验结果可知：在不同的竖向力作用下，结构抗倾覆稳定系数结果均在1.5以上，满足施工规定标准。

5 结束语

大跨径桥梁在施工过程中容易发生桥梁变形，并且形成桥台位移、拱顶下降等情况，直接影响成桥后的使用寿命。为保证大跨径特大桥施工质量，本文以西苕溪右线特大桥为例，研究先拱后梁系杆拱施工技术，构建桥梁有限元模型，分析施工技术应用效果，结果显示，该技术可保证桥梁的整体稳定性以及承载性，满足施工需求。