斜靠无风撑混凝土拱桥施工阶段静力分析.pdf

李亚侠： 斜靠无风撑混凝土拱桥施工阶段静力分析 6 7 D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j e n k i d w i - - 2 0 1 5 0 3 0 2 6 斜 靠无风撑 混凝土拱桥 施工 阶段静力分析 李亚侠 ( 哈尔滨工业大学建筑设计研究院 ， 哈尔滨1 5 0 0 9 0) 【 摘要】 金山大桥是世界上跨度最大的斜靠式无风撑钢管混凝土拱桥。本文利用 A N S Y S 有限元软件建 立了金山大桥的全桥有限元模型， 分析其在施工过程中的静力响应。由于斜靠拱的存在 ， 拱肋在竖向荷载作用下 的出平面位移较大。为保证拱肋线型， 本文提出了出平面预拱度公式。考虑几何与材料非线性的影响， 对该桥在 施工过程中的稳定性能进行了分析， 描述了其在竖向及水平荷载的共同作用下的破坏过程。采用有效模量法和 欧洲规范提供的混凝土模型考虑核心混凝土时效作用 ， 考虑了施工过程中不同施工阶段荷载加载龄期的差异 ， 分 析了核心混凝土收缩徐变对钢管混凝土拱肋长期静力性能的影响。将分析结果与实测数据进行比较， 验证了本 文有限元模型与分析理论的合理可靠性。 【 关键词】 钢管混凝土； 斜靠式拱桥 ； 施工过程； 稳定； 时效作用 【 中图分类号】 T U 3 7 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) O 3 0 0 6 7 0 3 金山大桥位于中国广东省潮州市 ， 于 2 0 0 7年建成 通 车。该 桥为五跨连续刚架系杆拱桥 ， 全桥跨 度 5 5 8 m ( 8 5 m+1 1 4 m+1 6 0 m+1 1 4 m+8 5 m) 。金 山大 桥是 世 界上跨度最大的斜靠式无风撑钢管混凝土拱桥。 该桥拱肋 由哑铃形钢管混凝土竖拱与空钢管斜 靠边拱组成 ， 两者之间每 4 m通过四根空钢管组成的 “ 金字塔” 形结构连结 。 斜靠边拱可以有效提高拱肋稳定性 ， 但同时会引 起拱肋的出平面变形 ， 为保证施工完毕时的拱肋线型， 需要设置出平面预拱。本文采用 A N S Y S 有 限元软件 建立金山大桥的全桥有限元模型， 对其进行施工全过 程分析。根据分析结果提出拱肋出平面预拱度的经验 公式 。同时讨论施 工过程对钢管混凝土拱桥静力 响应 的影响， 分析金山大桥在施工过程中的稳定性能 ， 并描 述其在施工各阶段的典型破坏模式。最后 ， 考虑不同 施工阶段荷载的加载龄期之间的差异， 分析金山大桥 在施工完毕时的拱肋长期静力响应 ， 通过与实测数据 进行对比， 验证模型与分析理论的可靠性。 1 有 限元模 型 利用大型通用 有 限元 软件 A N S Y S建立 了金 山大 桥的全桥有限元模型 ， 针对 不同的分析 目的 ， 对模型进 行 了相应的简化 。采用五跨连续全桥有 限元模 型进行 计算， 该模型考虑了土体对桩基的作用见图 1 ( a ) ， 忽 略了桥面系对拱肋受力的影响 ， 桥面 自重以集中力的 形式施加于拱肋相应吊杆位置上。根据文献 1 的分 析结果， 将连结竖拱与斜拱的“ 金字塔” 形的四根连杆 简化成两根等效连杆进行模拟如图 1 ( b ) 所示。采用 生死单元技术模拟施工过程中拱肋刚度的变化及结 构的体系转换。本文 的坐标系统与图 1 ( a ) 中的坐标 系相 同。 全桥模型 图1金山大桥有限元模型 采用 B E A M1 8 8 单元模 拟哑铃 形竖拱 的空钢 管及 上下弦核心混凝 土 ， L I N K 1 0单 元模 拟系杆 、 吊杆及 空 钢管 吊装阶段的吊索， S H E L L 1 8 1单元模拟桥面板 ， B E A M 4模拟竖拱肋腹板 内的核心混凝土、 等效连杆、 桥面系内的钢横纵梁、 桩基础、 V形支墩及其上的钢筋 混凝土箱梁。土对桩基的作用采用 C O M B I N 1 4模拟。 2出平面预拱 2 1 设置 出平 面预拱 的必要性 金山大桥中， 吊杆穿过竖拱几何 中心点。由于斜 靠拱的存在 ， 拱肋几何中心点与竖拱几何中心点不重 6 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 3期( 总第 2 0 1期 ) 合 ， 因此桥 面系的竖 向荷载通 过 吊杆作用 于拱肋 上时 将产生 附加偏心距见 图 2 ( a ) ， 使拱肋 发生像 内 的出平 面位移 ， 见图2 ( b ) 。图3所示为整个施工过程中A跨 拱顶在竖向及出平面方向的位移发展曲线。由图 3 可 见， 在施工过程中， 金山大桥拱肋出平面位移的增长十 分迅速， 其增长速度甚至超过了竖向位移的增长速度 ， 在施工完毕时 ， A跨 拱顶 出平面位 移达 到 9 5 3 m m， 是 竖 向位移的 四倍。 因此 ， 为金 山大桥 拱肋线 型满 足设 计要求 ， 需要对其设置出平面预拱。 拱肋内倾 图2 边拱引起的附加弯矩示意 施工步 图3 鹏拱顶位移 2 2出平面预拱公式 施工完毕时 A跨拱肋 出平面位移沿拱肋方向的 分布如 图 5所示。 对 图 5中的位移曲线进行 回归 ， 得 到式 ( 1 ) 。 Y=D( 了2 x ) 一 2 D ( 竽 ) + D ( 1 ) 式( 1 ) 中， D表示拱顶出平面预拱度 ， 其中 A、 B 、 c 跨拱顶 出平面预拱度取值分别 为 8 O ， 4 0及 2 5 m m； L为 拱肋跨度 ， m。 图4 A 跨施工完毕时出平面位移 式( 1 ) 即为金山大桥拱肋出平面预拱度公式。分 析证明 ， 采用该公式设置各跨拱肋 出平 面预拱 ， 在施工 完毕时拱肋基本可 回到竖直平 面 内， 与设计期 望相 差 最大不 超过 3 r n m。 3 施工过程对拱肋静力性能的影响 图5所示为考虑( Y ) 与不考虑( N) 空钢管合龙后 的施工 过 程 计 算 所 得 施 工 完 毕 时 A跨 拱 肋 的 静 力 响应 一 1 0 o l 一 一 6 o ： 。 m 一2 0 一 8 0 - 6 o 一 4 0 2 0 0 2 0 40 6 o 8 0 m r ， ( a )拱肋出平面位移 o Jll- a 一1 0 0 一8 0 r 、 、 、 ， 、 ， ， 、 、， ， 、 _ o ， 一 一2 O 一 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 40 6 0 8 0 x m y 一 ( b )钢管最大压应力分 布 图5施工过程对 j 夸 拱肋静力响应的影响 比较 图 5中曲线可 以看 出 ， 考虑施 工 过程计 算所 得拱顶出平面位移比不考虑施工过程时大 3 1 6 ， 计 算所得 钢 管最 大 压应 力 比不 考 虑 施工 过 程 时大 3 0 4 。因此 ， 在分析钢管混凝土拱桥静力响应时需 要考虑空钢管合龙后施工过程的影响。 4钢 管混凝 土拱桥稳 定性 能分析 拱肋稳定 是无 风撑 钢 管混 凝 土拱 桥设 计 的 关键 李亚侠 ： 斜靠无风撑混凝土拱桥施 工阶段静 力分 析 问题之一。本文考虑几何非线性与材料非线性， 分析 了金山大桥在施工阶段的稳定性能。该结构在施工阶 段 的稳定性 采用稳 定 系数 ( K) 进 行评估 ， 稳定 系数 的 定义 如下 ： p 南 2 ) 式中， P 表示结构的稳定承载力； P 。 表示恒荷载， P d 表示活荷 载。 分析发现 ， 在整个施工过程中， 钢管混凝土拱桥拱 肋稳定系数随施工的进行持续降低， 这主要是 由于随 着施工过程 的进行 ， 拱肋 上作用 荷载 不断增 加 。在施 工完毕时 ， 结构稳定系数达到最低值 2 7 5 ， 满足设计 要求 ， 结构在施工过 程中是 安全的。 5 钢管混凝土拱桥长期静力性能分析 当金山大桥施工完毕时， 拱肋部分核心混凝土已 持荷超过 6个月 ， 因此需要 考虑该 桥在 施工 过程 中 的 长期静力 响应 。考虑施工 过程 中 ， 各施 工 阶段所施 加 荷载对应 的混 凝土加载龄期 的不 同， 采用 A N S Y S有 限 元通用分析软件对金山大桥在施工阶段的长期静力 性能进行分析。根据文献 2 利用 7 1个钢管混凝 土 短柱长期变形试验结果对几种典型的混凝土时效模 型所进行的对比分析的分析结果 ， 分析时采用预测精 度 最高 的欧洲 规 范提 供 的 E C 2模 型 模 拟 混凝 土 的 徐变作用， 采用有效模量法考虑核心混凝土在变应力 作 用下 的静力 响应 。 图 7所示 为考虑混 凝土 时效作 用后 ， 施工 完毕 时 A跨钢管混凝土拱肋竖向位移与实测数据及不考虑时 效作用时的计算结果的对 比结果。 1 1 1 1 1 1 J 5 0 4 0 1 0 ， m 不考虑时效 考虑时效 实测结果 图6 A 跨拱肋在施工完毕时的竖向位移 从 图 6可 以看 出 ， 由于混凝土徐变 的影 响 ， 施工完 毕时， 拱肋 竖 向挠度 比不 考虑 时效 作用 时增 加 了 1 3 ， 施工过程 中混凝 土 时效作 用对 钢管 混凝 土拱肋 静力性能的影响的不可忽视， 在设计施工中需要考虑。 在考虑了混凝土时效作用后 ， A跨拱肋在施工完毕后 的竖向位移与实测数据吻合 良好， 说明本文所建立的 有限元模型及采用的分析理论与分析方法是合理可 靠的 。 6结语 采用 A N S Y S 大型通用有限元软件对一座斜靠式 无风撑钢管 混凝 土拱 桥 在施 工过 程 中 的静力性 能 进 行了分析。分析结果表明， 由于斜靠拱的存在 ， 该结构 在竖 向荷 载作 用下将 发生较大的出平 面变形 。为保证 拱肋线型满足设计要求 ， 根据分析结果提出了出平面 预拱 度设计 公式。 考虑几何非线性与材料非线性作用 ， 对该桥进行 了施工过程中的稳定性分析。分析发现， 在施工完毕 时， 结构稳定系数为 2 7 5 ， 满足设计要求， 该桥在施工 过程 中是安全可靠 的。 在分析钢管混凝土拱 桥静力 响应 时 ， 空钢 管 吊装 过程对分析结果的影响较小， 设计施工中可以忽略， 但 是空钢管合龙后的后续施工过程对结构响应影响较 大， 分析时必须考虑。 在施工过程中， 拱肋核心混凝土时效作用对钢管 混凝土拱桥静力 响应 已不可 忽视 ， 设计 施工 过程 中需 要考虑其影响。 本文的分析结果与实桥监测数据吻合 良好， 证明 所采用的分析方法、 分析理论及所建模 型是合理可 靠 的。 参考文献 1 Wa n gYY， Z h ang SM， G e n gY， R a n z i ， G N u me ri c a l S i mu l a t i o n and R e s e a r c h o n t h e H a n R i v e r N o r t h B ri d g e c P r o c e e d i n g s o f t h e 8 t h I n t h e ma t i o n a l Co n f e r e n c e o n S t e e l Co n c ret e C o mp o s i t e a n d Hy b rid S t r u c t u r e s，Ha r b i n： 2 0 06： 22 7 2 3 2 2 G e n g Y，R a n z i G，Z h a n g S M，Wang Y Y T i m eD e p e n d e n t Be h a v i o u r of Co n c ret eF i l l e d S t e e l T u b u l a r Co l u mn s ：A C o mp a r - a t i v e S t u d y U s i n g D i ff e r e n t C o n c r e t e M o d e l s O i l P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 t ll Au s t r a l a s ia n Co nfe ren c e o n the Me c h a n i c s of S t r u c t u r e s a n d Ma t e ria l s ，T o o wo o mb a，Au s t r a l i a ： 2 00 8：6 9 77 0 2 3 E u r o p e a n C o m m i t t e e f o r S ta n d a r d i z a t i o n B S E N 1 9 9 2 ， E u r o c ode 2：De s ig n o f c o n c ret e s t r u c t u res P a r t 1 1：g e n e I r u l e s a n d r u l e s f o r b u i l d i n g s ， 2 0 0 4 【 收稿 E t 期 2 0 1 41 11 2 作者简介 李亚侠( 1 9 8 3 一) ， 女， 吉林农安人 ， 工程师， 国家 注册一级结构师 ， 现从事结构设计工作 。