钢管混凝土拱桥施工关键技术及稳定性分析.pdf

B r i d g e a n dT u n n e l Ma c h i n e 桥 r y on 械 s t m c t i o n 施 T e 工 c h n 技 o l o 术 gy R C 钢 管 混 凝 土 拱 桥 施 工 关 键 技 术 及 稳 定 性 分 析 Ke y Co ns t r uc t i on Te c hni q ue a nd St a bi l i t y Ana l y s i s o f Co nc r e t e fil l e d S t e e l Tube Ar c h Br i dg e 牛润明， 安蕊梅 ， 邓海 NI U Ru n ru i n g， AN Ru i m e i DENG Ha 石 家 庄 铁 道 大 学 道 路 与 铁 道 工 程 安 全 保 障 省 部 共 建 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 河 北石 家 庄0 5 0 0 4 3 K e y L a b o r a t o r y o f R o a d a n d R a i lwa y E n g in e e r i n g S a f e t y C o n t r o l o f Mi n is t r y o f E d u c a t i o n ，S h i j i a z h u a n g T i e d a o U n iv e r s it y ， S h ij i a z h u a n g 0 5 0 0 4 3 ， He b e i ， C h i n a 【摘要 】 应用有限元软件， 针对某中承式钢管混凝土拱桥建立 了从拱肋吊装至成桥 的全过程计算模型 ， 并对该有限 元模 型 进行 了 稳定 性 分析 ， 得 出各 工 况下结 构 的稳定 安 全 系数 ， 最后 讨 论 了设 置 横 向风 缆 对拱 肋 稳定 性 的 影响 。 结 果 表 明 该桥 施 工各 阶段 稳 定 性均 满 足规 范 要 求。 【 Ab s t r a c t】 T h e c a l c u l a t i o n mo d e l o f t h e wh o l e p r o c e s s o f a r c h b r i d g e e r e c t i o n wa s b u i lt wit h f i n i t e e le me n t sof t w ar e f or t he hal f t h r ough concr et e f i l l ed st eel t ube ar ch br i dgeThe s t abi l it y of f i nit e el em ent m odel w as ana l y z e d，a n d t h e s a f e t y c oe f f i c i e n t s u n d er v a r i o u s c on s t r u c t i on c o n dit i on s w e r e gi v e nF i n a l l y ，t h e e f f e c t o f g u y c a - bl e on t h e s t abi l i t y of a r ch r i bs w as s t udi ed The r esul t s show t hat t he st abi l it y COUI d m eet t he r equi r em ent s of r elat ed codes 【关键词 】 拱桥 ；施工； 稳定性分析； 有限元模型 【 K e y wo r d s l a r c h b r id g e ； c o n s t r u c t i o n ； s t a b i l i t y a n a ly s i s ； f in it e e l e me n t mo d e 中 图 分 类 号 ： U4 4 8 2 2 文 献 标 志 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 - 0 3 3 X( 2 01 3 ) 0 3 - 0 0 6 7 -0 3 0 引 言 钢 管 混凝 土 拱桥 具 有跨 越 能 力强 、 承 载 能 力 高 、 塑 性 和 韧性 好 、 施工 方 便迅 速 等优 点 ， 在 桥 梁工 程 中得 到 了越 来 越 广 泛 的 应 用 但 随 着 拱 桥 跨 径 的 不 断 增 大 ， 结 构 越 来 越 趋 于轻 柔 ， 其 整体 刚度 越来 越 小 导 致拱 桥 的 稳定 问题 较 为突 出。 因此 ， 计算 该类桥 梁 的稳定 性具 有重要 意义。 本 文利 用Mi d a s C i v i l 建立 结 构计 算模 型 对某 中承 式 钢 管 混凝 土 拱桥 进 行全 过程 ( 从 拱肋 吊装至 成桥 ) 稳 定 性 分析 ， 并 探讨 设 置 横 向风 缆对 拱 肋稳 定 性能 的影 响 1 工 程 实 例 广 西 来 宾 市来 华大 桥 主桥 为2 2 0 IT I 中承 式 钢 管 混凝 土 拱桥 ， 主 拱 拱 肋 为 双 肋 悬 链 线无 铰 拱 ， 计 算 跨 径 为2 1 0 F l l，计 算矢 高6 0 m， 矢 跨 比 1 3 5 ， 拱 轴 系 数m=1 5 4 3 。每 片 拱肋 由4 根6 b 7 5 0 x 1 6 ( 2 0 )iT 1 11 1 的Q 3 4 5 C钢管 组 成 ， 内灌 C 5 0 微膨 胀 混凝 土 并作 为弦杆 上 弦和 下 弦横 向两 根 钢管 之 间 用 5 0 0 x1 2( 2 0)I n m的 平 联 钢 管 联 接 ， 平 联 管 内 灌 注 C 5 0混 凝 土 ， 上 、 下 弦 管 之 间 用 4 ) 4 5 0 x1 2 mm钢 管 作 为 腹 杆 ， 组 成 桁 式 拱肋 。 拱 肋 为等 宽 变 高度 截 面 ， 宽2 0 m， 高 度 在拱 脚 径 向 为5 5 m，在 拱 顶 为 3 5rr l 。 两 肋 中 心 距 为 2 7 0 m， 桥 面 以上 设6 道 “ K” 撑 ， 桥 面 以 下 每 侧 分 别 设 置 1 道 “ K” 撑 和 1 道 对 “ K” 撑 ， 每 道 横 撑均 为空 钢 管桁 架 主 拱 肋共 设 横 撑 1 O 道 。 吊杆 标 准 间 距 为7 0 m， 采 用 镀 锌 高 强 度 低 松 弛2 5 1 5 2 钢 绞 线 ， P E 防 护 ； 采 用 加 装位 移 释 放装 置的 O V M G J A( B ) 1 5 - 2 5 型冷 铸 墩头 锚 ， 分 别锚 于 拱 肋 的 平 联 钢 管 顶 和横 梁 的 下翼 缘 。行 车道 由预 制 混 凝 s I= J T 6 7 桥 隧机械 施工 技术 B rid g e a n d T u n n e l M a c h i n e r y Co n s tr u e o n T e c h n o lo g y 梁 、 预 应 力混凝 土横 梁及 预 制混 凝土 板 组成 ， 预 制 板通 过 纵 、 横 湿 接缝 与 纵梁 、 横 梁 连接 。拱 上 立柱 采 用q 8 0 0 mm 的钢 管 混 凝 土 构 件 ， 内灌 C 5 0 混 凝 土 ， 全 桥 共 1 6 根 立柱 。 来 华 大桥 拱顶 截面 如 图 l 所 示 。 l 9 4 1 0 单 位 I nl 1 1 图1拱 顶 断 面 钢 管 拱肋 采 用缆 索 吊装 斜拉 扣挂 法 施工 ，每 半 跨 拱 肋 分 为 4 个 吊 段 ， 最 长 3 1 4 2 2 i n， 吊 段 的 最 大 质 量 约 为 6 0 t 。 为 了方便调 控 拱轴 线 ， 增 加 拱肋 安 装 的稳定 性 ， 将 缆 索 吊装 系统 和斜 拉 扣挂 系统 分离 ， 独 立布 置 。 扣塔 布 置于 拱 座 上 ， 并 与 拱 座 固 结 ， 塔 高 约 8 0 m， 塔 距 约 2 3 8 11 1 ； 吊 塔 布 置 在 引桥 跨度 内 ， 塔 高 约 1 0 0 I n ， 塔 距 约3 1 0 m， 扣 塔 及 吊 塔 均 由万 能杆 件 拼 装而 成 横 向采 用 门柱 式 结构 扣 索及 背索 均在 扣塔 锚 固 箱上 张拉 拱肋 节段 为单 肋安 装 待上 下 游 同一 节段 安 装就 位 后 ， 安装节段 间连 接横撑 ， 即完成 一 个双肋 吊装 。 单肋 节段 安 装 就位 后 ， 应 拉缆 风 索 确 保横 向稳定 。 空钢 管拱 肋 合 龙 、 各节 段接 头焊接 完成并 形成无 铰拱后 ， 应逐 级松 扣。 具体 施工 工 况 为 ： 工 况 1 拱 肋 悬 臂 拼装 至 最 大 悬 臂 段 ； 工 况2， 安 装拱 肋 合 龙段 ， 拆 除扣 索 ； 工 况3 ， 灌 注 下 弦 管 混凝 土 ； 工 况4 ， 灌 注 上 弦 管 混凝 土 ； 工 况5 ， 安 装 吊杆 ， 施工 桥面 系直至 成 桥 ； 工 况6 桥梁 运 营 。 2 稳 定 性 分 析 2 1 稳 定 性 分 析 理 论 结构 稳 定根 据 失稳 的性 质 分 为第 一 类稳 定 ( 分 支点 失稳 ) 和 第 二 类稳 定 ( 极值 点 失 稳 ) 。 由于 第 类稳 定 问题 力学 概念 明确 计 算 方法 简便 ， 因而 受 到工 程技 术 人 员 的 欢 迎 。结 构 线弹 性稳 定特 征 值 方程 为 ( KI + X ) = O ( 1 ) 式 中 ： 卜一 结 构 的弹 性刚 度矩 阵 ； 结 构 的几何 刚度 矩 阵 ； t 结 构 整体 位移 向量增 量 ； 稳 定 系数 ( 特征 值 ) ， 对 于 钢 管 混凝 土拱 桥 ， 一 般 认 为其 线 弹性 稳定 系 数值 应 不小 于4 。 2 2 有 限 元 模 型 采 用 Mi d a s C i v i l 建 立桥 梁 的空 间 有 限 元模 型 。 主拱 肋 、 腹 杆 、 横撑 、 吊杆 横 梁 、 立柱 、 桥 面 纵梁 均 采 用 梁 单 元 模 拟 ， 桥 面板 采 用 板 单 元模 拟 ， 吊杆 、 扣 索 ( 风 缆 ) 采 用 不 受拉桁 架单 元模 拟 ， 用E r n s t 公式 对其 弹性模 量 进行 修正 。 模 型 中 的约 束形 式 为 ： 在拱 肋 安装 阶段 拱脚 位 置 为 铰 接 ， 拱 肋合 龙 后 ， 拱 脚 固结 ； 桥 面 纵梁 端 部 仅 约 束 竖 向 位 移 ， 并 释 放其 余 自由度 根据 设计 规 范 的具体 规 定 ，确定 计 算模 型 中采 用 的 材 料 特性 ， 具体 取值 为 ： 钢 材 弹性 模 量2 1 x l 0 u P a 钢 绞 线 弹性模 量 1 9 5 x 1 0 ”P a ， c 5 o , g 凝 土 弹性模 量3 5 x l O m P a ， 钢 材 密度 7 8 5 0 k g r n 。 ， 混凝土 密度 2 5 0 0 k g I n 。 对于 钢 管混凝 土 组合 截 面 ， 不 考虑 套 箍效 应 其 压缩 和 拉 伸刚 度 为 E A= E + E ( 2) 抗 弯 刚度 E l = E j |+ E ( 3 式 中 ： A 、 钢 管横 截 面面 积和 对 重 心轴 的惯 性矩 ； A 、 钢 管 内混 凝 土横截 面 面 积和 对 重心 轴 的惯 性矩 ： E 、 钢 材和 混凝 土 的弹 性模 量 。 计 算 中考 虑 的荷载 包 括 以下 几种 。 ( 1 )恒 载 ： 包括 一 期 恒载 ( 自重 ) 和 二 期恒 载 ( 桥面 铺 装 、 栏 杆 等 ) 。 ( 2 )风 荷 载 ： 仅 考 虑 拱肋 、 桥 面 系所 受 的横 向 静风 荷 载 ， 以集 中荷载 的形 式施 加到 模 型 中每 个节 点上 。 ( 3 )活载 ： 按 满 布活 载计 算 。 在拱 肋 悬 臂拼 装 阶段 ，模 型 中将 扣索 后锚 点 作 为 固 定 段 ， 忽 略塔 架 变 形影 响 ； 在 钢 管混 凝 土 灌 注 阶段 ， 管 内 混 凝土 质量 以线荷 载 的形 式 施加 在拱 肋 单 元上 当混凝 土达 到 设计 强度 后 ， 即按组 合 截 面计 算截 面 特性 。 各工 况 有 限元计 算 模 型见 图2 4 。 图2有 限 元 模型 l ( 最 大 悬 臂 段 ) 2 - 3 计 算 结 果 根据 以上计 算模 型 得到 桥 梁各 工况 下 的稳 定 系数 及 失稳 特征 如 表 1 所 示 ，运 营阶 段桥 梁前 2 阶 失稳 模 态 如 图 5、 6 所 示 。