劲性骨架在混凝土拱桥中的应用和模拟方式研究.pdf

2 0 1 3 年 6月第 6 期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构 9 3 劲性骨架在混凝土拱桥中的应用和模拟方式研究 米曦亮 ， 栗勇 ( 北京市市政工程设计研究总院， 北京市 1 0 0 0 8 2 ) 摘 要： 劲性骨架施工方法近年来在大跨径混凝土拱桥中常用， 结合福建省某新建跨江大桥对劲性骨架的布置和施工进行了简 要介绍， 针对劲性骨架在施工阶段计算中常用的三种模拟方式进行了讨论 ， 计算比较结果表明， 梁一板组合模型的精度足够 ， 结 果可信。 关键词： 混凝土拱桥； 劲性骨架； 模拟方式； 梁 一板组合模型 ； 粱一实体组合模型 中 图分类号 ： U 4 4 8 2 2 文 献标识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 9 3 0 4 0 引言 拱桥常见的施工方法主要有支架施工法、 缆 索吊装施工法、转体施工法和劲性骨架施工法f11 。 劲性骨架施工法是以钢管和型钢组成空间桁架结 构， 先分段制作成钢骨架， 骨架拼装合龙成拱后压 注钢管内混凝土， 混凝土达到强度后就形成钢管 混凝土劲性骨架， 再以其为支架分环分段浇筑拱 肋混凝土 ， 最终形成整个拱 圈。 劲性骨架施工方法主要优点如下： ( 1 ) 骨架 自 重较小 ， 有利于实现大节段 的制作安装 ， 快速拼接 成拱后即可作为所有后续拱肋施工步序的平台， 实现了无支架或少支架施工； ( 2 ) 拱圈和拱肋全截 面施工以分环分段的方式来分解 ，先期浇筑的混 凝土达到强度后参与受力，与劲性骨架共同承担 后期混凝 土重量 ，减少骨架 的用钢量和造价 ； ( 3 ) 充分利用劲性骨架的压弯受力特性，在弦杆内压 注混凝土， 混凝土与骨架钢管共同作用， 骨架的刚 度和承载能力都得到了较大提高； ( 4 ) 劲性骨架不 仅作为施工支架，被混凝土包裹后亦可在结构运 营阶段参与受力 ， 实现了钢材的充分利用。 因为上述诸多优点，钢管混凝土劲性骨架拱 桥成为近些年来大跨径拱桥常用的结构型式及施 工方法之一。4 2 0 m跨径的重庆市万州长江大桥 ( 1 9 9 7年建成 ) 、 3 1 2 m跨径 的邕宁 邕江大桥 ( 1 9 9 8 年建成 ) 、 1 4 0 m跨径的吊钟岩大桥( 2 0 0 4年建成， 铁路拱桥) 等都是其中的典型代表。 1 工 程概况 1 1 主桥总体布置 福建省某新建跨江大桥主桥采用中承式拱桥， 斜桩基础。其计算跨度为 1 8 0 m， 计算矢高 4 5 m， 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 2 4 作者简介： 米曦亮 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 湖南岳阳人， 工程师， 从事桥 梁 设计 工作 。 矢跨比为 1 4 ，拱轴线采用悬链线 ，拱轴系数为 2 0 。 桥面宽 3 1 m， 横向设两片拱肋， 拱肋采用混凝 土箱型箱形断面， 宽 2 5 m， 在跨中 1 2 0 m范围内， 拱肋等高为 3 0 m； 两侧各 3 0 m范围内， 拱肋沿拱 轴线两侧均匀加宽至 6 0 m， 见图 1 。 图 1 桥 梁 立 面布 置 图 ( 单 位 ： m ) 1 2 劲性骨架布置 由于河道主槽水量较大， 枯水期短 ， 如采用支 架现浇施工 ， 需在 河道 中设置 临时墩并搭设拱架 ， 临时墩受水流浸泡和冲击的时间长，存在较大的 风险。同时， 临时墩和拱架高度达到 4 5 m， 在其上 进行大体量的混凝土浇筑施工 ，临时结构 自身的 稳定性也存在问题。因此， 拱肋施工采用先架设劲 性骨架， 再分段分层浇注混凝土的方式 ， 避免了长 时间大面积设置临时支架， 施工的安全性更高， 对 河道阻水也不会有太大影 响。 劲性骨架采用钢管和型钢组成 ，总体布置见 图 2 。 图 2 劲 性骨架 立面布置 图( 单位 ： C M ) 劲性 骨架在拱顶 、与拱肋实腹段相接 的拱脚 处断面见图 3 。 上下弦杆为 + 4 5 0 m m1 4 m m厚钢管，内灌 C 5 0 微膨胀混凝土；腹杆采 L 1 0 0 6 3 1 0 角钢 ， 上 、 下平联采用 L 7 55 08角钢 ， 腹杆 、 上 、 下平 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 6 月第 6 期 图 3 劲性 骨架断 面图 单位 ： 结构尺 寸 c m， 钢材 爹数 mm J 联、 弦杆之间的连接通过厚 1 2 m m连接板实现， 所 有连接均为焊接 ， 所有钢构件均采用 Q 3 4 5 q C钢制 作。 1 3 拱肋施工步序 劲性骨架 的安装及拱肋混凝 土 的浇注顺序对 于骨架的内力和变形起着决定性的作用 ，详细施 工步序如下 ： ( 1 ) 搭设临时墩， 分段吊装、 拼接劲性骨架 ， 合 拢 ； ( 2 ) 拆除临时墩， 自两端拱脚同时向拱顶压注 上弦杆混凝土 ； ( 3 ) 上弦杆混凝土压注完 7 d后 ， 且强度达到 标准强度后压注下弦杆混凝土 ； ( 4 ) 下 弦杆混凝 土压注完 7 d后 ， 且强 度达到 标准强度后开始安装模板 ， 分段、 分层依次浇注底 板 、 腹板 、 顶板混凝土 。 2 劲性骨架模拟方式讨论 劲性骨架施工阶段模拟计算最大的复杂性在 于： 劲性骨架先作为施工支架 ， 再压注弦杆内混凝 土，然后逐步被拱肋混凝土包裹， 结构的力学模 型、 加载方式及一些基本参数都在不断地变化。劲 性骨架为常见的桁架结构，可以用常规的空间梁 系模拟， 但拱肋混凝土浇注以后 ， 劲性骨架被混凝 土包裹， 形成“ 劲性混凝土” 或称“ 型钢混凝土” 构 件。 这种构件在其极限荷载 8 0 之前， 两种材料可 以共同工作， 协调变形【2 1 。 目前在常规 的劲性骨架施 工分析主要有三 种 模拟方式 ： ( 1 ) 将劲性 骨架按 刚度等效 的方法 简化 为薄壁箱形截面 ，后期拱肋混凝土达到强度后 转 化为受力构件 ， 刚度递增 ； ( 2 ) 以空间梁系模拟劲 性骨架 ， 用板单元分别模拟底板、 腹板和顶板 ， 板 单元刚度只计加浇混凝土的刚度，弦杆的刚度不 变， 两种单元重叠 ， 共用节点 J【6 】 ； ( 3 ) 以空间梁系 模拟劲性骨架， 以实体单元模拟拱肋混凝土， 实体 单元以共用节点的方式围绕弦杆梁单元生成7 J。第 一 种方式无法得到准确的骨架杆件尤其是平联杆 内力 ， 不能对施工过程的控制形成有效指导， 使用 较少；第二种方式通过分步激活各部分混凝土板 单元， 较为真实地模拟施工过程 ， 能够得到施工阶 段和使用阶段骨架杆件、拱肋混凝土各部分的内 力 ， 能够有效地指导设计和施工 ， 在实际工作中采 用较 多 ； 第三种方式最为精 细准确 ， 但模 型相对复 杂， 结果提取也有难度， 主要在研究中使用。 上述第二种模拟方式 ，即梁一板组合模 型 ， 存 在的问题主要是梁单元和板单元仅在节点处的位 移协调， 节点之间两种单元是独立的， 位移并不协 调【5 。这种方法的精度就取决于节点的疏密， 即单 元划 分的大小 ，而单元 的大小通 常又与骨架杆件 分节长度一致， 大多在 2 m左右。 按这样的单元划 分 ， 模拟精度究竟如何 ， 一般文献 中并没有研究 ， 下文分别按第二、三种模拟方式建立梁一板组合 模型和梁一实体组合模型，以梁一实体组合模型 结果对梁 一板组合模型的准确性进行验证。 2 1 模型概况 拱肋混凝土和劲性骨架的实际受力主要表现 为压弯， 为真实地模拟其受力特性 ， 取长度 2 2 m、 倾角 4 5 。的结构节段进行施工阶段计算 ，结构基 本参数稍作简化。 结构基本参数 ：上下弦杆均为 4 5 0 X 1 4 m m 钢管， 管内已压注 C 5 0 微膨胀混凝土。 直腹杆和斜 腹杆为 L I O 01 0 m m截 面 ， 平联杆 、 斜联杆及 内联 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m