基于有限元模型的大跨度刚架系杆钢箱拱桥对称施工分析

王国铭,杨雨厚

(1.广西壮族自治区藤县公路养护中心,广西 梧州 543399;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

拱桥因外形美观、受力合理等特点,成为大跨度桥梁的主要形式之一,其中系杆钢箱拱桥应用广泛[1]。然而,由于系杆钢箱拱桥复杂的结构和较高的技术要求,在施工过程中存在着一定的风险。因此,为了确保施工安全和质量,对大跨度刚架系杆钢箱拱桥进行施工分析与评价研究具有重要意义[2]。

有限元模型是一种基于数值计算的分析方法,可以对结构进行力学性能分析和变形预测[3]。在大跨度刚架系杆钢箱拱桥的施工中,有限元模型可以用来确定桥梁在不同施工阶段下的应力、变形等参数,以及检验各个节点的承载能力是否符合设计要求[4]。大跨度刚架系杆钢箱拱桥的施工需要考虑到其特殊的施工方式和结构特点,在施工过程中需要对各个节点的变形情况进行实时监测,并采取相应的调整措施,以确保桥梁的稳定性。针对各个构件的受力情况,需要进行承载能力分析和评估,以确保桥梁在使用过程中的安全性。

综上所述,大跨度刚架系杆钢箱拱桥对称施工是一项复杂而严谨的工作[5]。通过有限元模型等数值计算方法,可以对桥梁的各项参数进行精确分析,并保障该类结构在施工及使用过程中的安全可靠性。本文以广西某大跨度下承式刚架系杆钢箱拱桥为例,采用Midas Civil软件进行对称施工模拟,分析桥梁施工和成桥阶段的主要参数。

1 工程概况

1.1 工程实例

广西某大跨度下承式刚架系杆钢箱拱桥,净跨径为120.0 m,净矢跨比为1/4.44,主拱拱肋共分9个施工节段。为保证拱桥的整体稳定,在两片拱肋间共设置了5道横撑,横撑采用钢箱结构,箱体内设置纵向加劲肋与横隔板。采用整束挤压成型钢绞线吊杆,全桥共设14对吊杆。采用全防腐型整束可换可调高强度低松弛钢绞线成品拉索并用钢保护盖进行防护。桥面系采用钢格构体系,桥面铺装采用7 cm沥青混凝土,主墩为实体墩/承台+桩基础的形式。施工前清理现场并进行引桥以及主桥的桩基、承台、主墩和拱肋拱座施工,然后采用分段拱肋安装的方法施工拱肋与横撑直至主拱合龙。在对称拆除支撑支架系统的同时,张拉序号为N2、N3、N10和N11的系杆,其张拉控制力为1 400 kN,最后有序张拉序号为N4～N11的拱肋吊杆及序号为N5、N8、N13和N16、N1～N3和N12～N14的拱肋吊杆及N6、N7、N14和N15系杆。施工人行道、沥青混凝土桥面面层及防撞墙、栏杆等附属设施。最后对称张拉N2～N8号系杆(控制力为2 200 kN)、N10～N16号系杆(控制力为2 250 kN),全桥施工完毕,准备通车,如图1所示。

1.2 全桥施工有限元模型

采用有限元模拟某大跨度下承式刚架系杆钢箱拱桥的施工。通过Midas Civil 软件进行各施工阶段的模拟计算,包括应力和线形。有限元模拟计算结果将作为施工过程各阶段线形和应力控制的基础。

如下页图2所示为某大跨度下承式刚架系杆钢箱拱桥拼装至竣工的关键施工阶段结构示意图。该桥有限元模型的主要材料参数如表1所示。拱肋、横撑、格构梁采用Q355C钢材,钢桥面板采用Q235C钢材,主墩、桥面板、人行道板、检修道板混凝土采用C40混凝土,承台混凝土与拱座混凝土分别采用C35与C50混凝土,吊杆与系杆采用φs15.24。永久荷载需要考虑钢筋和混凝土容重,其取值见表1。沥青桥面铺装、防撞护栏、栏杆、系杆箱等结构作为荷载考虑,桥面铺装荷载为0.07×24=1.68 kN/m2,防撞护栏荷载按梁单元荷载施加(取值9.5 kN/m),人行道板及栏杆荷载按压力荷载施加(取值6.0 kN/m2),检修道板按压力荷载施加(取值10.0 kN/m2)。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)考虑混凝土收缩徐变作用。系杆分两次张拉,首次张拉控制力均为1 400 kN,二次张拉时N2～N8号系杆张拉控制力为2 200 kN,N10～N16号系杆张拉控制力为2 250 kN。对于可变荷载而言,主要考虑汽车荷载(公路-Ⅰ级)、人群荷载(2.65 kN/m2)、系统温度荷载以及温度梯度荷载。

表1 有限元模型主要材料参数取值表

图2 某大跨度下承式刚架系杆钢箱拱桥施工过程图

2 桥梁施工阶段有限元计算分析

2.1 施工阶段应力分析

通过有限元模型计算,大跨度刚架系杆钢箱拱桥上部结构(包括主拱和横撑)施工阶段应力验算结果见图3,以判断桥梁的应力状态。图3(a)、图3(b)分别为主拱和横撑施工阶段的最大拉/压应力,其应力值呈对称分布,主拱及横撑施工阶段最大拉应力为15.1 MPa,最大压应力为74.6 MPa,均小于规范允许的270/1.1=245.5 MPa,满足规范要求。

(a)最大拉应力

基于有限元模型,本文得到大跨度刚架系杆钢箱拱桥主桥格构梁施工阶段应力验算结果汇总于图4。由图4可以看出,主格构梁施工阶段最大拉应力为11.9 MPa,最大压应力为81.5 MPa,均小于规范允许的270/1.1=245.5 MPa,满足规范要求。

(a)最大拉应力

2.2 施工阶段位移分析

由于施工阶段工况较多,主桥主拱和格构梁的位移分析仅选择二次张拉系杆施工阶段。基于有限元模型进行计算分析,可得到主拱及格构梁施工阶段累计位移结果,如图5所示。由图5可以看出,主桥主拱和格构梁的累计位移呈对称分布,跨中主拱和格构梁的累计位移最大。因此,在线形监测中有必要密切关注位移变化,加以纠正,并合理调整。

(a)主拱

3 桥梁成桥阶段有限元计算分析

3.1 成桥时内力分析

基于桥梁竣工阶段的有限元模型,大跨度刚架系杆钢箱拱桥主拱及横撑成桥内力、格构梁成桥内力以及吊杆成桥索力通过模拟计算得到并分别绘制于图6～7。从图6(a)可以看出,该桥建成后主拱弯矩呈对称分布且变化相对均匀,最大弯矩出现在主拱和格构梁的连接处,横撑处弯矩也较为均匀地对称分布。图6(b)表明,桥梁竣工后的轴向力整体处于压缩状态,且呈对称分布,总体上,轴向力从主拱和格构梁的连接处向中间逐渐减小。在图6(c)中,竣工桥梁的剪力也基本呈对称分布。此外,根据图7,该大跨度刚架系杆钢箱拱桥施工完成后,格构梁的弯矩、轴向力、剪力总体来看呈对称分布,内力的变化相对均匀,最大弯矩出现在格构梁的两侧。

(a)弯矩

(a)弯矩

3.2 主拱、横撑及格构梁验算分析

3.2.1 承载能力极限状态验算结果

主桥成桥时主拱及横撑承载能力极限状态验算结果如图8(a)、图8(b)所示。可以看出,承载能力极限状态基本组合下,主拱及横撑顶面应力在-118.7～23.1 MPa,均小于规范允许的270/1.1=245.5 MPa,满足要求。如图8(c)、图8(d)所示为主桥成桥时格构梁承载能力极限状态验算结果。承载能力极限状态基本组合下,格构梁顶面应力在-149.2～140.8 MPa,均小于规范允许的270/1.1=245.5 MPa,满足要求。

(a)主拱及横撑顶面最大拉应力

3.2.2 正常使用极限状态验算结果

正常使用极限状态荷载组合下,主桥成桥时主拱及横撑与格构梁的验算结果如图9所示。由图9(a)、图9(b)可以看出,正常使用极限状态荷载组合下,主拱及横撑顶面应力为-53.7～3.2 MPa;图9(c)、图9(d)表明格构梁顶面应力为-118.1～107.9 MPa,均小于规范允许的270/1.1=245.5 MPa,满足要求。

(a)主拱及横撑顶面最大拉应力

3.3 吊杆与系杆验算分析

主桥承载能力极限状态下吊杆索力结果见图10(a)。承载能力极限状态下吊杆最大索力为2 189.4 kN。主桥所用吊杆规格为GJ15-27,破断索力为7 020 kN,全桥吊杆最小安全系数为7 020/2 189.4=3.2>2.5,满足《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG D6506-2015)5.8.1条钢绞线吊杆持久状态下安全系数≥2.5的要求。主桥承载能力极限状态下系杆索力结果见图10(b)。可以看出,承载能力极限状态下系杆最大索力为2 991.2 kN。主桥所用系杆规格为GJ15-31,破断索力为8 072.4 kN,全桥系杆最小安全系数为8 072.4/2 991.2=2.7>2.0,满足规范中钢绞线系杆持久状态下安全系数≥2.0的要求。

(a)吊杆

4 结语

本文采用有限元方法对广西某大跨度下承式刚架系杆钢箱拱桥进行对称施工分析。采用Midas Civil软件计算系杆钢箱拱桥在施工阶段和成桥阶段的变形和应力,可为大跨度下承式刚架系杆钢箱拱桥施工提供理论依据,用于指导实际施工。

(1)在施工阶段,主拱及横撑的最大拉/压应力(15.1 MPa/74.6 MPa)呈对称分布;格构梁最大拉/压应力分别为11.9 MPa/81.5 MPa,均小于规范允许值245.5 MPa,满足规范要求。主拱和格构梁的累计位移同样呈对称分布,且在跨中处累计位移最大。

(2)在成桥阶段,主拱及横撑成桥内力、格构梁成桥内力以及吊杆成桥索力的有限元模拟结果基本呈对称分布且变化相对均匀。考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态下荷载组合,主拱、横向支撑和格构梁的结构验算结果满足规范要求。

(3)吊杆和系杆在承载力极限状态下的最大索力分别为2 189.4 kN和2 991.2 kN,对应的最小安全系数分别为3.2和2.7,大于规定值2.5和2.0。