下承式钢管混凝土柔性系杆拱桥施工阶段有限元分析

下承式钢管混凝土柔性系杆拱桥施工阶段有限元分析

本带混凝土柔性销拱通常是下式或中式。这是一种通过带的扶手张力平衡拱顶力的结构体系。系杆属于受拉张力的组件。在计算和分析中，不考虑抗弯刚性。该类拱桥在施工时靠不断地张拉系杆来平衡恒载的作用,施工工序或加荷方式对成桥后的拱肋线形和应力影响较大,必须加强施工监测,而对各个施工阶段的模拟分析计算是施工监测的重要组成部分。本文以烟台养马岛大桥中孔下承式钢管混凝土柔性系杆拱桥为例,介绍了该类型桥梁结构施工阶段分析的静力计算方法及其相应的计算结果,同时也为该桥的施工监测提供参考。1截面形式烟台养马岛大桥主孔为下承式钢管混凝土柔性系杆简支拱,如图1所示。跨径100m,拱轴线采用二次抛物线,矢高19.1m,矢跨比1/5,吊杆间距为5.9m。拱肋采用高度为3.0m,圆管直径为1.2m的哑铃型截面形式,如图2所示。桥面为悬浮体系,横梁由吊杆吊于拱肋上,纵向槽形板连于横梁上。横桥向共设5道加劲小纵梁,加劲小纵梁与中横梁固接、两端简支在拱脚端横梁和拱脚上。整孔设置中横梁15道,端横梁2道。每片拱肋处设1根系杆,系杆由6束37-7ϕ5的预应力钢铰线组成,采用HVM的成品束。整孔设置15对吊杆,吊杆规格采用127ϕ7,吊杆锚具均采用冷铸钝头锚,在吊杆下部设置不锈钢保护套。拱肋间设一字型横撑,四道K型横撑,横撑及斜撑采用不填充混凝土的空钢管。下部结构为双圆柱桥墩,直径为4.0m,桩基按柱桩设计,桥墩基础为群桩,桩径1.5m。设计荷载为汽车-超20级、挂车-120。2土的灌注顺序该桥中孔上部结构的施工共划分为9个阶段,如表1所列。其中拱肋混凝土的灌注顺序为腹腔→下管→上管,混凝土在达到设计强度以前不参与受力,而是作为恒载施加于空钢管拱肋,当达到设计强度后,与钢管组成联合截面共同参与受力。系杆钢束编号见图3,吊杆及相应的横梁编号见图4。3构件模型及边界条件施工阶段的静力计算采用空间有限元分析程序(MIDAS/CIVIL),其计算模型如图5所示。整体坐标系以x向为桥纵向,y为桥横向,z为竖向。钢管拱肋及其横撑、斜撑、纵梁和横梁均采用三维梁单元模拟。吊杆、系杆所采用的单元类型视受力状态而定,在整个施工阶段分析中,吊杆和系杆始终为受拉构件,因此采用桁架单元模拟。各个构件的材料特性取值如表2所列,并在计算中考虑混凝土的收缩徐变及其强度发展。边界条件可以分为如下几类:(1)拱肋安装及泵送混凝土均是在满堂支架上完成,支架应采用弹性支承模拟,其刚度应由施工单位提供的支架预压试验结果来确定,这里近似按竖向刚性支承来模拟;(2)拱脚4个角点处施加简支边界条件;(3)系杆与拱脚、拱脚与端横梁之间均为刚性连接,即刚臂。(4)横撑和斜撑与拱肋相交处,释放梁端转动约束。(5)横梁吊装过程中,为保持横梁的稳定,在横梁端部施加x、y向平动位移约束和沿y向的转动约束。通过将以上约束条件在某一施工阶段激活或钝化的方式来模拟该施工阶段的边界条件。4结论分析4.1施工阶段竖向位移的变化图6示出了左半跨拱肋主要截面的竖向位移随施工阶段(CS)变化的曲线。由图6看出,各个截面的竖向位移随着施工阶段的进行呈现先增大后减小的趋势,到施工阶段4时,各个截面的竖向位移达到整个施工过程的最大值,然后逐渐减小,到施工结束时,跨中位移最小,为0.2cm,而1/8跨位移最大,为1.08cm。4.2上钢管内混凝土下缘正应力这里仅给出跨中截面沿高度方向上各点位的正应力随施工阶段变化曲线,如图7所示。由图7可以看出,在整个施工过程中,上钢管上缘正应力介于-110.7～30.2MPa;下钢管下缘正应力介于-49.8～-1.5MPa;上钢管内混凝土上缘正应力介于-10.1～2.29MPa;下钢管内混凝土下缘正应力介于-5.8～0.1MPa。对于相同一施工阶段而言,跨中沿截面高度方向上的正应力分布符合偏心受压构件的受力特点。4.3吊杆应力分析表3列出了D0～D7号吊杆在各个施工阶段的拉力,其中吊杆编号按照图4所示的顺序。由表3可以看到,在同一施工阶段中,除较短的D7、D6号吊杆外,其他几根吊杆的拉力数值接近。随着施工阶段的进行,各根吊杆的拉力逐渐增大,到施工完了时,吊杆最大拉力为2660kN。该桥单根吊杆面积为4888mm2,吊杆平均应力为544MPa,约为其抗拉标准强度(Rbyyb=1670MPa)的0.32倍。4.4应力系数的比较系杆的拉力随施工阶段变化如表4所列,系杆编号可参见图3。由表4可见,各束系杆的拉力并不相同,N5和N6号系杆的拉力数值较大,N1和N2号系杆次之,N3和N4号系杆最小。至成桥时,系杆最大拉力达3900kN(N5号)。单根系杆面积为5085.8mm2,则成桥时系杆最大平均应力约为767MPa,约为其抗拉标准强度(Rbyyb=1860MPa)的0.41倍。5施工阶段分析(1)在整个施工阶段分析中,拱肋最大上拱位移为2.59cm,产生在跨中截面,但到成桥时跨中截面上拱位移仅0.2cm,最大上拱位移产生在1/8跨,为1.08cm,这说明系杆的张拉力基本上平衡了恒载的作用,拱肋线形相比初始安装线形稍有变化。(2)在整个施工阶段分析中,钢管最大压应力为110.7MPa,混凝土最大拉应力为2.29MPa,均未超出C50混凝土的抗拉设计强度,且沿截面高度方向上的正应力分布符合偏心受压构件的特点。(3)各根吊杆受力较为均匀,成桥时吊杆平均应力为544MPa,约为其抗拉标准强度的0.32倍。(4)成桥时,各根系杆拉力不同,这与其分批、分次的张拉方式及初拉力大小有关。成桥时系杆最大平均应力为767MPa,约为其抗拉标准强度的0.41倍。(5)本文并未给出拱脚应力数