钢管混凝土拱桥施工阶段仿真分析

　　摘要：论文结合工程实例，采用通用的桥梁结构分析软件M}AS建立空间有限元模型，进行施工全过程结构受力仿真分析，仿真过程简单、结果可靠。同时，得出一些对工程实际有益的结论。
　　关键词：钢管混凝土；拱桥；施工；仿真；
　　
　　我国原是拱桥的故乡，虽然最早的钢管混凝土拱桥建造在前苏联，但真正发展壮大却在中国。钢管混凝土拱桥跨径的增大，无疑推动了桥梁结构分析设计理论和施工技术的发展。本文以J大桥为工程背景，针对施工过程中的荷载变化，运用大型有限元软件MIDAS对该拱桥的施工过程进行了理论计算，对这座拱桥的施工全过程进行模拟仿真。
　　1工程概况
　　本文以J大桥为计算模型。桥跨组合为(22+28+22)米(连续梁引桥)+284米(中承式拱主桥桥面)+(6x22)米(连续梁引桥)，桥梁全长501米。主孔为净跨径260米、矢跨比为1/4.5、拱轴系数m=1.4的中承式钢管混凝土拱桥。采用MmAS软件建立全桥有限元模型
　　2拱肋吊装阶段的仿真分析
　　2.1拱肋吊装阶段线形预测
　　采用缆索吊装方法施工的拱桥，一般将拱肋分成若干节段。在拱肋吊装施工时，按多个施工阶段起吊安装，而这些施工阶段的运输和架设均以已经完成的结构部分作为支撑体系，这样直到全桥完成。缆索吊装施工方法的采用必然给桥梁结构带来复杂的内力与位移变化，大跨度钢管混凝土拱桥一般采用缆索吊装这一施工方法。在拱肋吊装阶段，施工控制一般应以线形控制为主，关键是要保证施工中拱轴线的几何形状符合设计要求，且确保拱桥准确合拢。
　　2.2钢管拱肋节段吊装施工工艺
　　J大桥主拱采用斜拉扣挂悬臂拼装方法施工，拱肋为变高等宽的钢管混凝土析构，肋总高4.0-6.5米，(拱顶4.0米)。弦管采用功102016毫米钢管。腹杆有竖直腹杆和斜腹杆两种，均采用45710毫米钢管，平联采用缀板连接。全桥桥面以上设6道钢管析架横撑，桥面以下设两道横撑，其主管为72012毫米钢管。每肋分13段吊装，每段吊重约50吨，全桥共分26个拱肋节段。根据施工实际情况，拱肋吊装时拱脚处处理为铰支座。拱肋拼接处的模拟可根据实际施工工艺采用刚接方法。扣索与拱肋、扣塔的连接采用铰接。考虑到结构的对称性，本文仅给出一岸的吊装过程。
　　根据施工的实际情况建立拱肋吊装阶段的有限元模型，对施工阶段进行划分。在满足施工控制要求的精度内，施工阶段应划分的越少越好。
　　2.3计算结果分析
　　在本文的计算中，扣索由多束15.24低松弛高强度钢绞线组成，扣索张拉端设在交换梁上，每组扣索采用上下游对称同步张拉和调整索力的张拉方案。节段安装以高程控制为主，各扣段扣点标高的控制，应采取预抬标高的方式，各扣点控制标高应按设计标高加上8个吊装阶段的累计下挠值和空钢管拱拢阶段的预拱度值。采用有限元软件MroAS建立拱肋吊装阶段的模型，计算各施工阶段扣点下挠值与扣索力，见表1与表2。
　　表1各施工阶段扣点累计下挠值单位mm表2各施工阶段索力值单位:kN
　　
　　从以上计算结果可以看出:
　　（1）各吊装阶段索力计算值和扣点下挠值是对施工过程不同阶段标高和索力状态的预测，它们可以作为施工控制的重要依据。
　　（2）整个吊装过程中扣索索力值都在控制索力范围值之内，满足施工的安全性要求。
　　（3）各扣索在开始的施工阶段索力变化均比较大，而在随后的施工阶段中，变化量逐渐减小。
　　3拱上荷载安装阶段的仿真分析
　　拱的变形不仅影响到结构的受力，还影响到使用性能，因此，变形计算就显得十分重要。变形对弯矩的影响很大。在传统的坛工拱桥和钢筋混凝土拱桥中，由于采用实体截面，材料的受拉性能又较弱，所以对拱轴线型的控制十分重视。
　　3.1 施工阶段划分
　　施工阶段的计算采用大型有限元软件MmAS进行，全桥共划分为3869个单元，其中析架单元184个，用来模拟吊杆，梁单元3685个，分别用来模拟拱肋、缀板、斜竖腹杆、吊杆横梁及桥面板等，桥面铺装及栏杆仅考虑其重力作用，将其作为均布荷载加在纵梁上。在钢管混凝土灌注阶段，将混凝土自重作为荷载作用在空钢管拱肋上。钢管内混凝土灌注后28天形成刚度，此时钢管内的混凝土参与受力，同时考虑混凝土所贡献的刚度。吊装结束后拱脚处采用固定约束。拱上加载应分阶段进行，遵循均衡与对称的加载原则。对称原则即以拱顶为对称线，桥两半跨对称加载。均衡加载即沿桥跨均匀加载，不允许在一个部位过分集中加载。
　　3.2 施工过程内力分析
　　在计算过程中，各施工阶段的模型按施工信息逐阶段生成。在每个施工阶段中，新安装的结构用激活相应的单元号来模拟，增减的支座用激活或钝化相应节点的边界条件来模拟。在有限元程序中，考虑了几何非线性对钢管混凝土拱桥受力及变形的影响。
　　由于各施工过程比较独立，因此分析中给出施工过程的累计效应。在施工过程中主拱肋上下弦截面受力不同，不少文献都将其简化为一根轴线单元考虑，这样会带来比较大的计算模型误差。由于拱肋上下弦之间的距离较大，为了更能真实地反映整个拱肋截面的内力和腹杆的作用，本文将拱肋上下弦管分开考虑。根据施工过程内力数据绘制轴力、弯矩随施工过程的变化上、下弦管的轴力并非都一直随施工过程增大，拱肋的轴力在某些施工阶段是变小的。产生这一现象的原因是由于拱桥特有的反拱现象所引起的。在混凝土灌注阶段，轴力的变化比较明显。
　　3.3施工过程拱肋变形分析
　　在钢管拱肋仿真计算中，拱肋坐标设置必须以逼近施工实际为准。通常一座钢管混凝土拱桥的坐标有两种设置方式:设计成桥坐标和设计放样坐标。
　　由于钢管拱肋合拢成形以后，桥梁施工控制的可调因素很少，所以空钢管拱肋线形的确定是保证成桥状态与设计状态一致的关键问题。钢管混凝土拱桥施工中拱肋的线形变化十分复杂，几乎每时每刻都在发生变化，本文将伴随施工工序产生的挠度变化计算曲线如下：
　　1/4断面随施工过程的进行，挠度变化较小，挠度变化曲线比较平缓。1/2断面在混凝土灌注阶段挠度增大很快，在安装拱上立柱及盖梁、安装吊杆及吊杆横梁、安装纵梁阶段均出现反拱现象，这说明在拱上荷载安装阶段，拱顶挠度并不是一直增大的，这是由拱式结构的特殊受力状态决定的。
　　
　　参考文献：
　　[1]梁鹏.钢管混凝土拱桥拱肋预拱度的研究.武汉理工大学硕士论文，2004.11.
　　[2]朱伯芳.有限单元法原理与应用(第二版)〔M].中国水利水电出版社，1998.
　　[3]夏小钢.大跨度钢管混凝土拱桥施工过程的力学分析.武汉理工大学硕士论文，2005.11.