五跨连续钢管砼系杆拱桥施工加载程序优化

1、五跨连续钢管砼系杆拱桥施工加载程序优化【内容提要】本文通过对潮州市韩江北桥五连跨钢管混凝土拱桥施工加载程序的优化调整进行计算分析论证，提出在多跨连续钢管砼拱桥施工加载过程中，在坚持基本对称加载的原则下对施工加载程序可以进行优化调整，具有明显的社会效益和经济效益，对同类桥梁的施工有较好的借鉴作用。【关键词】 五跨连续 钢管混凝土拱桥 施工加载 优化计算 1. 工程概况潮州市韩江北桥主桥为五跨连续无风撑下承式钢管混凝土系杆拱桥，其跨径组合为11+85+114+160+114+85+11m，每跨设2片拱肋，采用背靠式，每片竖拱肋与斜拱肋连成一体，每片竖拱肋均由2根钢管焊接成哑铃型，每片斜拱肋均为单根

2、圆钢管。其中A跨净跨径为L=137.2m，矢高为F=29.412m；B跨净跨径为L=94m，矢高为F=19.377m；C跨净跨径为L=68.8m，矢高为F=13.921m。为加快主桥施工进度，项目部向业主、设计、监控等相关单位提出在保证基本对称加载的原则下，对主桥施工加载程序进行优化调整，并将调整后的施工加载程序上报设计、监控两家单位进行计算分析复核，通过比对设计、监控、施工三家单位的计算结果，决定优化调整主桥施工加载程序。施工加载前，根据计算分析得出每个施工加载阶段主拱以及各相关主墩的位移、应力计算值，在施工加载过程中，通过对主拱肋线形以及各相关主墩的位移、应力进行监控，从而保证全桥各加载阶

3、段均在安全、稳定的状态下进行，并且主拱线形最终能够达到设计要求。以C跨为例，C跨实际结构跨度85m，钢管拱拱肋轴线理论跨径68.8m，理论矢高13.931m，理论矢跨比f/L=1/4.94。拱肋截面竖拱弦管直径80cm，厚度20mm，斜拱弦管和竖拱相同。C跨拱肋断面具体构造见图1。图1 拱肋构造图全桥布置情况见图2。图2 全桥布置图2. 计算目的为加快韩江北桥主桥施工进度，项目部提出在保证对称加载的原则下，结合现场施工实际情况，对主桥施工加载程序进行优化调整，项目部首先组织技术人员对韩江北桥施工加载过程进行计算分析，从位移和应力两个方面分析结构是否安全，从而为优化施工顺序，加快施工进度提供有力

4、依据。3. 计算依据3.1韩江北桥设计图纸3.2韩江北桥原设计加载程序(见表1)3.3结合现场施工实际情况提出的调整后的加载程序(见表2)。表1 原设计加载程序序号西C跨西B跨A跨东B跨东C跨1钢管拱肋安装钢管拱肋安装2钢管拱肋安装钢管拱肋安装3钢管拱肋安装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吊杆和横梁吊杆和横梁14吊杆和横梁吊杆和横梁15吊杆和横梁16桥面板1/3桥面板1/317桥面板(1/3)桥面板1/318桥面板(1/3)19桥

5、面板1/3桥面板1/320桥面板1/3桥面板1/321桥面板1/322桥面板1/3桥面板1/323桥面板1/3桥面板1/324桥面板1/325现浇层现浇层26现浇层现浇层27现浇层28防撞墙防撞墙29防撞墙防撞墙30防撞墙31第一层沥青砼第一层沥青砼第一层沥青砼第一层沥青砼第一层沥青砼32第二层沥青砼第二层沥青砼第二层沥青砼第二层沥青砼第二层沥青砼33人行道人行道人行道人行道人行道表2 优化调整后加载程序序号西C跨西B跨A跨东B跨东C跨1钢管拱肋安装钢管拱肋安装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钢管拱肋安装钢管拱肋安装6钢管拱肋安装合拢7灌筑下弦管砼钢

6、管拱肋焊接灌筑下弦管砼8灌筑上弦管砼钢管拱肋焊接灌筑上弦管砼9灌筑腹板砼钢管拱肋焊接灌筑腹板砼10吊杆和横梁钢管拱肋焊接吊杆和横梁11灌筑下弦管砼12灌筑上弦管砼13吊杆和横梁灌筑腹板砼吊杆和横梁14桥面板1/3桥面板1/315桥面板1/3吊杆和横梁桥面板1/316桥面板1/3桥面板(1/3)吊杆和横梁桥面板(1/3)桥面板1/317桥面板(1/3)桥面板(1/3)桥面板(1/3)18现浇层1/2桥面板(1/3)桥面板(1/3)桥面板(1/3)现浇层1/219现浇层1/2现浇层1/2桥面板(1/3)现浇层1/2现浇层1/220防撞墙现浇层1/2现浇层1/2现浇层1/2防撞墙21防撞墙现浇层1/

7、2防撞墙22防撞墙23第一层沥青砼第一层沥青砼第一层沥青砼第一层沥青砼第一层沥青砼24第二层沥青砼第二层沥青砼第二层沥青砼第二层沥青砼第二层沥青砼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国际著名的大型通用有限元软件ANSYS建立全三维模型进行模拟，x轴由Z6指向Z1为正，y轴向下为正，z轴由上游指向下游为正。用梁单元模拟主拱肋、墩、V构及箱梁，用杆单元模拟系杆，用弹簧单元模拟土体作用，用杆单元模拟临时支撑，桥面系构件以荷载方式施加。首先建立全桥模型，共有15000多个节点，30000多个单元，如图3所示。利用ANSYS的死活单元功能来模拟施工加载过程，对每个施工加载步骤进行计

8、算分析。图3 全桥有限元模型图4.1计算假定如下：4.1.1结构处于弹性范围，不考虑材料非线性4.1.2模型中不直接计入预应力效应，预应力的计算结果单独计算，然后和本计算结果叠加即可。4.2相应的模型图相应各主要施工阶段模型如下图46所示。图4 C跨合拢后的有限元模型图图5 B跨合拢后的有限元模型图图6 A跨合拢后的有限元模型图5. 计算结果5.1位移计算结果分析根据计算可知在整个施工过程中，Z1墩顶位移在-46mm范围内，Z2墩顶位移在-46mm范围内，Z3墩顶位移在-36mm范围内，Z4墩顶位移在-53mm范围内，Z5墩顶位移在-53mm范围内，Z6墩顶位移在-64mm范围内。在整个施工过

9、程中，C跨竖向最大位移30mm，横向偏位（内倾）29mm，B跨竖向最大位移33mm，横向偏位（内倾）43mm，A跨竖向最大位移42mm，横向偏位（内倾）91mm。5.2应力计算结果分析分析计算结果可知，其中V构的最大应力(MPa)如下表3所示，各V构受力最大值大多出现在最后成桥加载步骤的附近，加载中期出现的峰值均小于最大值。表3 各主墩V构最大应力值Z1Z2Z3Z4Z5Z6引桥侧C跨C跨B跨B跨A跨A跨B跨B跨C跨C跨引桥侧1.343.491.632.971.673.351.713.281.952.951.593.44注:理论分析表明,施加预应力会产生约为4MPa的预压应力。墩顶和墩底的最大应

10、力(MPa)如下表4所示：表4 直墩顶及墩底最大应力值Z1Z2Z3Z4Z5Z6墩顶墩底墩顶墩底墩顶墩底墩顶墩底墩顶墩底墩顶墩底1.610.630.09-0.56-0.05-0.9-0.22-0.68-0.05-0.591.420.45注:理论分析表明,施加预应力会产生约为1.4MPa的预压应力。各跨拱肋应力幅值(MPa)如下表5所示表5 各跨拱肋应力幅值构件A跨B跨C跨+smax-smin+smax-smin+smax-smin钢管7.85-99.76.46-95.37.59-90.8上钢管混凝土1.17-12.51.47-9.311.31-13.6下钢管混凝土1.39-9.021.79-12

11、.52.37-11.8张拉A跨系杆之后的V构及墩的最大应力图参见图7图9。图7 Z1最大应力图图8 Z2最大应力图图9 Z3最大应力图混凝土灌注过程的模拟参见图10。A跨竖拱拱肋应力云图混凝土应力云图拱肋混凝土尚未灌注A跨竖拱拱肋应力云图混凝土应力云图下管混凝土已灌注A跨竖拱拱肋应力云图混凝土应力云图上、下管混凝土均已灌注图10 混凝土灌注过程的模拟6. 计算结论6.1结构处于小位移，低应力状态，符合计算假定，结构是安全的。6.2从加载完成的受力状态看，具有较好的对称性，成桥后结构受力未因加载程序的调整而产生很大改变。加载程序可行，在施工中可以通过采取一些相应的措施来保证施工质量，并通过加强与

12、相关监测单位的沟通，实时控制全桥结构的应力以及线形，以保证加载过程中结构的安全。7. 为保证加载过程中结构安全采取的相应措施7.1由于加载过程为C-B-A，且为保证适当超前加载满足平行流水作业需要及加快施工进度的目的，在系杆张拉时进行实时监测系杆张拉力，尽量做到微欠张拉，使结构受力更合理。7.2在Z1和Z6引桥侧加临时支撑，以平衡T梁及主桥加载的不同步而引起的不平衡荷载，减小V构应力。根据目前实际监测情况，该措施能够起到一定的作用。7.3从加载过程的计算结果来看，引桥附属工程可与主桥防撞栏、沥青层及人行道板施工时间相同，这样受力情况比目前还要好一些。7.4针对该桥结构型式比较特别（尤其是拱肋间

13、无横撑），在加载过程中应尽可能保证对称并严格控制主拱横向偏位。又由于竖拱与斜拱连接形式特别，在加载过程中，主拱向内侧偏位，在加工及安装过程中，项目部向设计等相关单位提出增加主拱的面外预拱度，以尽量避免主拱在加载过程中内偏较大。最后通过计算以及实测数据进行对比，设计同意增加面外预拱，对主拱横向偏位及稳定性起到了较好的作用。8. 结束语在对计算结果进行分析后，项目部将计算结果与设计、监测单位进行及时沟通，用计算结果以及现场实测的数据说话，做到有理有据，经多方会议讨论，一致同意在保证主桥对称加载的原则下对原有加载程序进行优化调整，并通过在实际施工过程中加强控制，从而不仅保证主桥加载过程中结构的安全性，而且能保证主桥施工工期（优化后工期能够缩短