下承式鋼管混凝土柔性系桿拱橋施工階段有限元分析

下承式鋼管混凝土柔性系桿拱橋施工階段有限元分析

本帶混凝土柔性銷拱通常是下式或中式。這是一種通過帶的扶手張力平衡拱頂力的結(jié)構(gòu)體系。系桿屬于受拉張力的組件。在計算和分析中，不考慮抗彎剛性。該類拱橋在施工時靠不斷地張拉系桿來平衡恒載的作用,施工工序或加荷方式對成橋后的拱肋線形和應(yīng)力影響較大,必須加強施工監(jiān)測,而對各個施工階段的模擬分析計算是施工監(jiān)測的重要組成部分。本文以煙臺養(yǎng)馬島大橋中孔下承式鋼管混凝土柔性系桿拱橋為例,介紹了該類型橋梁結(jié)構(gòu)施工階段分析的靜力計算方法及其相應(yīng)的計算結(jié)果,同時也為該橋的施工監(jiān)測提供參考。1截面形式煙臺養(yǎng)馬島大橋主孔為下承式鋼管混凝土柔性系桿簡支拱,如圖1所示?？鐝?00m,拱軸線采用二次拋物線,矢高19.1m,矢跨比1/5,吊桿間距為5.9m。拱肋采用高度為3.0m,圓管直徑為1.2m的啞鈴型截面形式,如圖2所示。橋面為懸浮體系,橫梁由吊桿吊于拱肋上,縱向槽形板連于橫梁上。橫橋向共設(shè)5道加勁小縱梁,加勁小縱梁與中橫梁固接、兩端簡支在拱腳端橫梁和拱腳上。整孔設(shè)置中橫梁15道,端橫梁2道。每片拱肋處設(shè)1根系桿,系桿由6束37-7?5的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線組成,采用HVM的成品束。整孔設(shè)置15對吊桿,吊桿規(guī)格采用127?7,吊桿錨具均采用冷鑄鈍頭錨,在吊桿下部設(shè)置不銹鋼保護(hù)套。拱肋間設(shè)一字型橫撐,四道K型橫撐,橫撐及斜撐采用不填充混凝土的空鋼管。下部結(jié)構(gòu)為雙圓柱橋墩,直徑為4.0m,樁基按柱樁設(shè)計,橋墩基礎(chǔ)為群樁,樁徑1.5m。設(shè)計荷載為汽車-超20級、掛車-120。2土的灌注順序該橋中孔上部結(jié)構(gòu)的施工共劃分為9個階段,如表1所列。其中拱肋混凝土的灌注順序為腹腔→下管→上管,混凝土在達(dá)到設(shè)計強度以前不參與受力,而是作為恒載施加于空鋼管拱肋,當(dāng)達(dá)到設(shè)計強度后,與鋼管組成聯(lián)合截面共同參與受力。系桿鋼束編號見圖3,吊桿及相應(yīng)的橫梁編號見圖4。3構(gòu)件模型及邊界條件施工階段的靜力計算采用空間有限元分析程序(MIDAS/CIVIL),其計算模型如圖5所示。整體坐標(biāo)系以x向為橋縱向,y為橋橫向,z為豎向。鋼管拱肋及其橫撐、斜撐、縱梁和橫梁均采用三維梁單元模擬。吊桿、系桿所采用的單元類型視受力狀態(tài)而定,在整個施工階段分析中,吊桿和系桿始終為受拉構(gòu)件,因此采用桁架單元模擬。各個構(gòu)件的材料特性取值如表2所列,并在計算中考慮混凝土的收縮徐變及其強度發(fā)展。邊界條件可以分為如下幾類:(1)拱肋安裝及泵送混凝土均是在滿堂支架上完成,支架應(yīng)采用彈性支承模擬,其剛度應(yīng)由施工單位提供的支架預(yù)壓試驗結(jié)果來確定,這里近似按豎向剛性支承來模擬;(2)拱腳4個角點處施加簡支邊界條件;(3)系桿與拱腳、拱腳與端橫梁之間均為剛性連接,即剛臂。(4)橫撐和斜撐與拱肋相交處,釋放梁端轉(zhuǎn)動約束。(5)橫梁吊裝過程中,為保持橫梁的穩(wěn)定,在橫梁端部施加x、y向平動位移約束和沿y向的轉(zhuǎn)動約束。通過將以上約束條件在某一施工階段激活或鈍化的方式來模擬該施工階段的邊界條件。4結(jié)論分析4.1施工階段豎向位移的變化圖6示出了左半跨拱肋主要截面的豎向位移隨施工階段(CS)變化的曲線。由圖6看出,各個截面的豎向位移隨著施工階段的進(jìn)行呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,到施工階段4時,各個截面的豎向位移達(dá)到整個施工過程的最大值,然后逐漸減小,到施工結(jié)束時,跨中位移最小,為0.2cm,而1/8跨位移最大,為1.08cm。4.2上鋼管內(nèi)混凝土下緣正應(yīng)力這里僅給出跨中截面沿高度方向上各點位的正應(yīng)力隨施工階段變化曲線,如圖7所示。由圖7可以看出,在整個施工過程中,上鋼管上緣正應(yīng)力介于-110.7～30.2MPa;下鋼管下緣正應(yīng)力介于-49.8～-1.5MPa;上鋼管內(nèi)混凝土上緣正應(yīng)力介于-10.1～2.29MPa;下鋼管內(nèi)混凝土下緣正應(yīng)力介于-5.8～0.1MPa。對于相同一施工階段而言,跨中沿截面高度方向上的正應(yīng)力分布符合偏心受壓構(gòu)件的受力特點。4.3吊桿應(yīng)力分析表3列出了D0～D7號吊桿在各個施工階段的拉力,其中吊桿編號按照圖4所示的順序。由表3可以看到,在同一施工階段中,除較短的D7、D6號吊桿外,其他幾根吊桿的拉力數(shù)值接近。隨著施工階段的進(jìn)行,各根吊桿的拉力逐漸增大,到施工完了時,吊桿最大拉力為2660kN。該橋單根吊桿面積為4888mm2,吊桿平均應(yīng)力為544MPa,約為其抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度(Rbyyb=1670MPa)的0.32倍。4.4應(yīng)力系數(shù)的比較系桿的拉力隨施工階段變化如表4所列,系桿編號可參見圖3。由表4可見,各束系桿的拉力并不相同,N5和N6號系桿的拉力數(shù)值較大,N1和N2號系桿次之,N3和N4號系桿最小。至成橋時,系桿最大拉力達(dá)3900kN(N5號)。單根系桿面積為5085.8mm2,則成橋時系桿最大平均應(yīng)力約為767MPa,約為其抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度(Rbyyb=1860MPa)的0.41倍。5施工階段分析(1)在整個施工階段分析中,拱肋最大上拱位移為2.59cm,產(chǎn)生在跨中截面,但到成橋時跨中截面上拱位移僅0.2cm,最大上拱位移產(chǎn)生在1/8跨,為1.08cm,這說明系桿的張拉力基本上平衡了恒載的作用,拱肋線形相比初始安裝線形稍有變化。(2)在整個施工階段分析中,鋼管最大壓應(yīng)力為110.7MPa,混凝土最大拉應(yīng)力為2.29MPa,均未超出C50混凝土的抗拉設(shè)計強度,且沿截面高度方向上的正應(yīng)力分布符合偏心受壓構(gòu)件的特點。(3)各根吊桿受力較為均勻,成橋時吊桿平均應(yīng)力為544MPa,約為其抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度的0.32倍。(4)成橋時,各根系桿拉力不同,這與其分批、分次的張拉方式及初拉力大小有關(guān)。成橋時系桿最大平均應(yīng)力為767MPa,約為其抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度的0.41倍。(5)本文并未給出拱腳應(yīng)力數(shù)