五跨連續(xù)鋼管砼系桿拱橋施工加載程序優(yōu)化

1、五跨連續(xù)鋼管砼系桿拱橋施工加載程序優(yōu)化【內容提要】本文通過對潮州市韓江北橋五連跨鋼管混凝土拱橋施工加載程序的優(yōu)化調整進行計算分析論證，提出在多跨連續(xù)鋼管砼拱橋施工加載過程中，在堅持基本對稱加載的原則下對施工加載程序可以進行優(yōu)化調整，具有明顯的社會效益和經濟效益，對同類橋梁的施工有較好的借鑒作用?！娟P鍵詞】 五跨連續(xù) 鋼管混凝土拱橋 施工加載 優(yōu)化計算 1. 工程概況潮州市韓江北橋主橋為五跨連續(xù)無風撐下承式鋼管混凝土系桿拱橋，其跨徑組合為11+85+114+160+114+85+11m，每跨設2片拱肋，采用背靠式，每片豎拱肋與斜拱肋連成一體，每片豎拱肋均由2根鋼管焊接成啞鈴型，每片斜拱肋均為單根

2、圓鋼管。其中A跨凈跨徑為L=137.2m，矢高為F=29.412m；B跨凈跨徑為L=94m，矢高為F=19.377m；C跨凈跨徑為L=68.8m，矢高為F=13.921m。為加快主橋施工進度，項目部向業(yè)主、設計、監(jiān)控等相關單位提出在保證基本對稱加載的原則下，對主橋施工加載程序進行優(yōu)化調整，并將調整后的施工加載程序上報設計、監(jiān)控兩家單位進行計算分析復核，通過比對設計、監(jiān)控、施工三家單位的計算結果，決定優(yōu)化調整主橋施工加載程序。施工加載前，根據(jù)計算分析得出每個施工加載階段主拱以及各相關主墩的位移、應力計算值，在施工加載過程中，通過對主拱肋線形以及各相關主墩的位移、應力進行監(jiān)控，從而保證全橋各加載階

3、段均在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)下進行，并且主拱線形最終能夠達到設計要求。以C跨為例，C跨實際結構跨度85m，鋼管拱拱肋軸線理論跨徑68.8m，理論矢高13.931m，理論矢跨比f/L=1/4.94。拱肋截面豎拱弦管直徑80cm，厚度20mm，斜拱弦管和豎拱相同。C跨拱肋斷面具體構造見圖1。圖1 拱肋構造圖全橋布置情況見圖2。圖2 全橋布置圖2. 計算目的為加快韓江北橋主橋施工進度，項目部提出在保證對稱加載的原則下，結合現(xiàn)場施工實際情況，對主橋施工加載程序進行優(yōu)化調整，項目部首先組織技術人員對韓江北橋施工加載過程進行計算分析，從位移和應力兩個方面分析結構是否安全，從而為優(yōu)化施工順序，加快施工進度提供有力

4、依據(jù)。3. 計算依據(jù)3.1韓江北橋設計圖紙3.2韓江北橋原設計加載程序(見表1)3.3結合現(xiàn)場施工實際情況提出的調整后的加載程序(見表2)。表1 原設計加載程序序號西C跨西B跨A跨東B跨東C跨1鋼管拱肋安裝鋼管拱肋安裝2鋼管拱肋安裝鋼管拱肋安裝3鋼管拱肋安裝4灌筑下弦管砼灌筑下弦管砼5灌筑上弦管砼灌筑上弦管砼6灌筑腹板砼灌筑腹板砼7灌筑下弦管砼灌筑下弦管砼8灌筑上弦管砼灌筑上弦管砼9灌筑腹板砼灌筑腹板砼10灌筑下弦管砼11灌筑上弦管砼12灌筑腹板砼13吊桿和橫梁吊桿和橫梁14吊桿和橫梁吊桿和橫梁15吊桿和橫梁16橋面板1/3橋面板1/317橋面板(1/3)橋面板1/318橋面板(1/3)19橋

5、面板1/3橋面板1/320橋面板1/3橋面板1/321橋面板1/322橋面板1/3橋面板1/323橋面板1/3橋面板1/324橋面板1/325現(xiàn)澆層現(xiàn)澆層26現(xiàn)澆層現(xiàn)澆層27現(xiàn)澆層28防撞墻防撞墻29防撞墻防撞墻30防撞墻31第一層瀝青砼第一層瀝青砼第一層瀝青砼第一層瀝青砼第一層瀝青砼32第二層瀝青砼第二層瀝青砼第二層瀝青砼第二層瀝青砼第二層瀝青砼33人行道人行道人行道人行道人行道表2 優(yōu)化調整后加載程序序號西C跨西B跨A跨東B跨東C跨1鋼管拱肋安裝鋼管拱肋安裝2灌筑下弦管砼灌筑下弦管砼3灌筑上弦管砼灌筑上弦管砼4灌筑腹板砼灌筑腹板砼5鋼管拱肋安裝鋼管拱肋安裝6鋼管拱肋安裝合攏7灌筑下弦管砼鋼

6、管拱肋焊接灌筑下弦管砼8灌筑上弦管砼鋼管拱肋焊接灌筑上弦管砼9灌筑腹板砼鋼管拱肋焊接灌筑腹板砼10吊桿和橫梁鋼管拱肋焊接吊桿和橫梁11灌筑下弦管砼12灌筑上弦管砼13吊桿和橫梁灌筑腹板砼吊桿和橫梁14橋面板1/3橋面板1/315橋面板1/3吊桿和橫梁橋面板1/316橋面板1/3橋面板(1/3)吊桿和橫梁橋面板(1/3)橋面板1/317橋面板(1/3)橋面板(1/3)橋面板(1/3)18現(xiàn)澆層1/2橋面板(1/3)橋面板(1/3)橋面板(1/3)現(xiàn)澆層1/219現(xiàn)澆層1/2現(xiàn)澆層1/2橋面板(1/3)現(xiàn)澆層1/2現(xiàn)澆層1/220防撞墻現(xiàn)澆層1/2現(xiàn)澆層1/2現(xiàn)澆層1/2防撞墻21防撞墻現(xiàn)澆層1/

7、2防撞墻22防撞墻23第一層瀝青砼第一層瀝青砼第一層瀝青砼第一層瀝青砼第一層瀝青砼24第二層瀝青砼第二層瀝青砼第二層瀝青砼第二層瀝青砼第二層瀝青砼25人行道人行道人行道人行道人行道4. 建立有限元模型利用國際著名的大型通用有限元軟件ANSYS建立全三維模型進行模擬，x軸由Z6指向Z1為正，y軸向下為正，z軸由上游指向下游為正。用梁單元模擬主拱肋、墩、V構及箱梁，用桿單元模擬系桿，用彈簧單元模擬土體作用，用桿單元模擬臨時支撐，橋面系構件以荷載方式施加。首先建立全橋模型，共有15000多個節(jié)點，30000多個單元，如圖3所示。利用ANSYS的死活單元功能來模擬施工加載過程，對每個施工加載步驟進行計

8、算分析。圖3 全橋有限元模型圖4.1計算假定如下：結構處于彈性范圍，不考慮材料非線性模型中不直接計入預應力效應，預應力的計算結果單獨計算，然后和本計算結果疊加即可。4.2相應的模型圖相應各主要施工階段模型如下圖46所示。圖4 C跨合攏后的有限元模型圖圖5 B跨合攏后的有限元模型圖圖6 A跨合攏后的有限元模型圖5. 計算結果5.1位移計算結果分析根據(jù)計算可知在整個施工過程中，Z1墩頂位移在-46mm范圍內，Z2墩頂位移在-46mm范圍內，Z3墩頂位移在-36mm范圍內，Z4墩頂位移在-53mm范圍內，Z5墩頂位移在-53mm范圍內，Z6墩頂位移在-64mm范圍內。在整個施工過程中，C跨豎向最大位

9、移30mm，橫向偏位（內傾）29mm，B跨豎向最大位移33mm，橫向偏位（內傾）43mm，A跨豎向最大位移42mm，橫向偏位（內傾）91mm。5.2應力計算結果分析分析計算結果可知，其中V構的最大應力(MPa)如下表3所示，各V構受力最大值大多出現(xiàn)在最后成橋加載步驟的附近，加載中期出現(xiàn)的峰值均小于最大值。表3 各主墩V構最大應力值Z1Z2Z3Z4Z5Z6引橋側C跨C跨B跨B跨A跨A跨B跨B跨C跨C跨引橋側1.343.491.632.971.673.351.713.281.952.951.593.44注:理論分析表明,施加預應力會產生約為4MPa的預壓應力。墩頂和墩底的最大應力(MPa)如下表4

10、所示：表4 直墩頂及墩底最大應力值Z1Z2Z3Z4Z5Z6墩頂墩底墩頂墩底墩頂墩底墩頂墩底墩頂墩底墩頂墩底1.610.630.09-0.56-0.05-0.9-0.22-0.68-0.05-0.591.420.45注:理論分析表明,施加預應力會產生約為1.4MPa的預壓應力。各跨拱肋應力幅值(MPa)如下表5所示表5 各跨拱肋應力幅值構件A跨B跨C跨+smax-smin+smax-smin+smax-smin鋼管7.85-99.76.46-95.37.59-90.8上鋼管混凝土1.17-12.51.47-9.311.31-13.6下鋼管混凝土1.39-9.021.79-12.52.37-11.

11、8張拉A跨系桿之后的V構及墩的最大應力圖參見圖7圖9。圖7 Z1最大應力圖圖8 Z2最大應力圖圖9 Z3最大應力圖混凝土灌注過程的模擬參見圖10。A跨豎拱拱肋應力云圖混凝土應力云圖拱肋混凝土尚未灌注A跨豎拱拱肋應力云圖混凝土應力云圖下管混凝土已灌注A跨豎拱拱肋應力云圖混凝土應力云圖上、下管混凝土均已灌注圖10 混凝土灌注過程的模擬6. 計算結論6.1結構處于小位移，低應力狀態(tài)，符合計算假定，結構是安全的。6.2從加載完成的受力狀態(tài)看，具有較好的對稱性，成橋后結構受力未因加載程序的調整而產生很大改變。加載程序可行，在施工中可以通過采取一些相應的措施來保證施工質量，并通過加強與相關監(jiān)測單位的溝通，

12、實時控制全橋結構的應力以及線形，以保證加載過程中結構的安全。7. 為保證加載過程中結構安全采取的相應措施7.1由于加載過程為C-B-A，且為保證適當超前加載滿足平行流水作業(yè)需要及加快施工進度的目的，在系桿張拉時進行實時監(jiān)測系桿張拉力，盡量做到微欠張拉，使結構受力更合理。7.2在Z1和Z6引橋側加臨時支撐，以平衡T梁及主橋加載的不同步而引起的不平衡荷載，減小V構應力。根據(jù)目前實際監(jiān)測情況，該措施能夠起到一定的作用。7.3從加載過程的計算結果來看，引橋附屬工程可與主橋防撞欄、瀝青層及人行道板施工時間相同，這樣受力情況比目前還要好一些。7.4針對該橋結構型式比較特別（尤其是拱肋間無橫撐），在加載過程

13、中應盡可能保證對稱并嚴格控制主拱橫向偏位。又由于豎拱與斜拱連接形式特別，在加載過程中，主拱向內側偏位，在加工及安裝過程中，項目部向設計等相關單位提出增加主拱的面外預拱度，以盡量避免主拱在加載過程中內偏較大。最后通過計算以及實測數(shù)據(jù)進行對比，設計同意增加面外預拱，對主拱橫向偏位及穩(wěn)定性起到了較好的作用。8. 結束語在對計算結果進行分析后，項目部將計算結果與設計、監(jiān)測單位進行及時溝通，用計算結果以及現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)說話，做到有理有據(jù)，經多方會議討論，一致同意在保證主橋對稱加載的原則下對原有加載程序進行優(yōu)化調整，并通過在實際施工過程中加強控制，從而不僅保證主橋加載過程中結構的安全性，而且能保證主橋施工工期（優(yōu)化后工期能夠縮短2