钢管混凝土系杆拱桥施工中受力性能及稳定性分析.pdf

桥 梁建 设2 0 1 2年第 4 2 卷第 6 期 ( 总第 2 1 7期 ) B r i d g e Co n s t r u c t i o n ，Vo 1 4 2，No 6，2 0 1 2( To t a l l y No 2 1 7 ) 2 7 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 2 7 0 6 钢管混凝土系杆拱桥施工中受力性能及稳定性分析 陈 钒 ， 王建欣 ， 王江 ( 1 中 国水 电建设 集 团路桥 工程有 限公 司 ， 北京 1 0 0 0 4 8 ；2 河 宇。 ， 韩 大勇 南省第 四建筑 工程有 限公 司， 河南 南 阳 4 7 3 0 0 0 ) 摘 要 ：为给 钢 管混凝 土 系杆拱桥 施 工监 控提 供 理 论 依 据 ， 以 南水 北调 工 程 南 阳 市姚 湾跨 渠 公路 桥 为 背景 ， 采 用有 限元软件 建 立全桥 三 维 空 间模 型 ， 详 细 考 虑 混凝 土 灌 注 次序 、 混 凝 土徐 变效 应 、 吊杆 张拉 次序 、 系梁 多次 张拉 等环 节 ， 对 结构施 工全 过程 的 内力 和 变形 历 程及 系梁浇 筑过 程 中 支架 受力进 行分 析 。结果表 明 ， 施 工过程 中拱 肋钢 管及 管 内混凝 土应 力满足规 范要 求 ； 各 分支钢 管 中混凝土的压应力与混凝土灌注次序有关； 钢管内灌注混凝土的徐 变会使钢管混凝土截面发 生应 力重 分布 ； 拱 肋 支 架满足 整体稳 定 性和 分 支稳定 性要 求 。 关键 词 ：系杆拱 ； 钢 管 混凝 土结构 ； 支架 法施 工 ； 有 限元 法 ； 稳 定性 中图分 类号 ： U4 4 8 2 2 5 文 献标 志码 ： A An a l y s i s o f M e c h CFS T Ti e d Ar c h a ni c a l Be ha v i o r a n d S t a b i l i t y o f Br i d g e i n Co ns t r u c t i o n Pr o c e s s CHEN Fa n ，WANG Ji a n x i n ，WANG Ji a n g y u ，HAN Da yo ng ( 1 S i n o h y d r o Ro a d a n d Br i d g e En g i n e e r i n g C o ，Lt d ，Be ij i n g 1 0 0 0 4 8，Ch i n a；2 Th e Fo u r t h He n a n Co n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g Co ，I t d ，Na n y a n g 4 7 3 0 0 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To p r ov i d e t he t he or e t i c ba s e s f or t he c o ns t r uc t i o n m o ni t o r i ng a nd c o nt r o I o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t ube ( CFST) t i e d a r c h br i d ge，t he Ya o wa n W a t e r Cha n ne l H i g hwa y Br i d g e i n Na n y a n g Ci t y o f t h e S o u t h t o o No r t h Wa t e r Di v e r s i o n Pr o j e c t wa s c i t e d a s a n e x a mp l e ，t h e f i n i t e e l e me nt s of t wa r e wa s u s e d t o s e t u p t he t hr e e d i m e ns i on a l mo de 1 f o r t he who l e b r i dg e o f t he b r i d ge，t he i nt e r na l f or c e s a nd de f o r m a t i o n hi s t o r y of t he b r i d ge i n t h e wh ol e c o ns t r uc t i o n p r oc e s s a nd t h e f o r c e c o n di t i on s o f t h e s c a f f o l di n gs f o r c o nc r e t i n g o f t h e t i e b e a m s we r e a n a l y z e d i n de t a i l e d c ons i d e r a t i on o f t h e v a r i ou s f a c t or s o f t h e c o nc r e t i n g s e q ue n c e s， c o nc r e t e c r e e p e f f e c t， ha n ge r t e n s i o ni n g s e qu e n c e s a n d m ul t i t i m e t e ns i o ni n g o f t h e ha n ge r s The r e s u l t s o f t h e a n a l ys i s s ho w t ha t t he s t r e s s of t h e a r c h r i b s t e e l t ub e s a nd t he c o nc r e t e i n t he t u be s i n t he c ons t r uc t i on pr oc e s s c a n m e e t t he r e l e v a n t r e qu i r e me n t s i n t he c od e s The c o mpr e s s i v e s t r e s s of t h e c on c r e t e i n t he di f f e r e nt br a n c h s t e e l t ube s i s r e l a t e d t o t h e c on c r e t i ng s e qu e n c e s Th e c r e e p o f t he c o nc r e t e i n t h e t ub e s c an c au s e t he s t r e s s r e di s t r i b ut i on i n t h e s e c t i o ns o f t he CFST an d t he s c a f f ol d i ng s f o r c o nc r e t i n g of t h e a r c h r i bs c a n m e e t t he r e q ui r e m e nt s o f gl o b a l a n d l oc a l s t a b i l i t y Ke y wo r d s：t i e d a r c h；c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t u be s t r u c t u r e； s c a f f ol di n g m e t hod c o ns t r u c t i o n； f i n i t e e l e me nt me t h od；s t a b i l i t y 1概述 姚 湾跨 渠公 路桥 位 于南 阳市规 划 城市道 路 光武 路上 ， 根据市政工程及渠道阻水影响要求， 在跨渠时 采 用计 算跨 径 为 1 8 5 m 的下 承 式 钢 管 混凝 土 系杆 拱 桥 ， 双 幅设计 ， 单 幅 桥宽 2 O 2 5 m。每 幅 桥设 置 2 道拱肋 ， 拱轴线为二次抛物线 ， 矢跨 比为 1： 5 。采 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 7 0 6 作者简 介：陈钒 ， 教授级高工 ， E ma i l ： c f s c 一 1 0 3 7 1 6 3 c o rn。研究 方向： 桥 梁施工控制技术 、 桥梁健康诊 断及加 固维修技术 、 商墩大 跨 桥梁施工工艺。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 用等截面桁架 拱肋 ， 拱 肋外 轮廓 截 面尺寸 为 3 0 m4 5 m， 弦杆 直 径 为 1 1 2 0 mm、 厚 2 0 ( 2 2 )mm。 平联 钢 管 有 直 径 6 3 0 mm、 厚 1 4 mm 和 直 径 5 6 0 mm、 厚 1 2 mm 两种 ， 腹杆 直径 5 6 0 mm、 厚 1 2 mm。 弦管 、 平 联 钢 管 内灌 注 C 5 5微 膨 胀 混 凝 土 ， 拱 肋 受 力 构件采 用 Q3 4 5钢 材 。单幅桥 两 拱 肋 问设 置 5道 一 字形桁架式横撑 和 2道 K字形桁架式横撑以增 强 拱肋 间 的横 向稳定 性 。单 幅桥 拱 肋 间距 ( 拱 肋 中 心距 ) 为 2 3 8 5 m。姚湾 跨渠公 路桥 立面 见 图 1 。 单 幅 桥 共 设 置 2 1 对 吊杆 ， 吊杆 间 距 为 8 0 m， =：；1 l P l - r I ，l l I L L =，一 。 = = = 善 8 8 8 、 器 一 ， ： I l 图 1 姚 湾 跨 渠 公 路 桥 立 面 Fi g 1 El e va t i o n o f Ya o wa n W a t e r Cha nn e l Br i d g e 吊杆采用 P E S 一 1 2 1镀锌 高强平行钢丝 。系梁采用 单 箱单 室预 应力 混凝 土箱 形截 面 ， 全 长 l 8 5 m( 含 拱 座) 。系梁纵 向 预 应 力 筋 采 用 公 称 直 径 1 5 2 4 mm 的高 强低 松弛 钢绞 线 ， 预 应 力 管道 采 用 塑 料 波纹 管 成 孔 。 该桥采用先梁后拱法施工 ， 即先在满堂支架上 浇筑 系梁 、 横 梁 ， 再 在格 构柱式 支架 上分 节段 拼装拱 肋 。拱 肋划 分 为 9节 ， 采 用分 段 吊装 法 拼 装 。拱 肋 各 节段 焊连 、 拱 脚 封 铰 后 ， 向拱 肋 钢 管 中灌 注 混 凝 土 ， 然后 安装 并 张拉 吊杆 ， 系梁落 架 。最 后安 装桥 面 系 T梁 并进 行桥 面铺 装 。为 平衡 系 梁 轴力 ， 随施 工 中结构体系的转换， 系梁中预应力分 4次张拉 ， 即在 架设钢管前 、 安装和张拉吊杆前 、 系梁落架前以及安 装 桥 面系 T梁前 。 本 文 通 过对 桥 梁 施工 过 程 进行 模 拟 ， 分 析桥 梁 施 工 全过 程 中受力 和 变形 情 况 ， 为桥 梁 施 工 监控 提 供 理 论依 据 。同时 ， 对 施 工 过 程 中桥 梁 及 施 工支 架 进行结构强度和施工支架 的稳定性检算 。 2施工 过程计 算模 型 利用 有 限元方 法分 析施工 过程 中的桥梁 受力 和 变形 历程 口 。采用 商 用软 件 MI D AS建 立 桥 梁模 型 ， 模 型 中系梁 和拱 肋均 采用 梁单 元模拟 ， 吊杆采用 桁架单元模 拟。全桥共 2 6 2 8个 单元 ， 1 5 5 6个 节 点 。姚 湾跨 渠 公路 桥有 限元模 型见 图 2 。 主拱截面为组合截面 ， 模型中采用施工联合截 面的方 式分 阶 段 考 虑其 刚度 的发 展 变化 。主拱 上 、 下 平联 在 吊装 前 已浇 筑 混 凝 土 ， 模 型 中采 用 等 效截 面的方式 考 虑其 刚度 及 重量效 应 。对于 实 际结 构 中 单位 ：I1 1 图 2姚 湾 跨 渠 公 路 桥 有 限元 模 型 Fi g 2 Fi n i t e El e me n t Mo d e l o f Ya o wa n Wa t e r Ch a n ne l Br i d g e 的斜杆 、 检修爬梯 、 节点板、 焊缝等重量通过调整 自 重 系数予 以考 虑 。满 堂 支架通 过 只受压 弹性 支撑 来 模 拟 ， 只受压 弹性 支 座 的 刚度 用 实 际截 面 的刚 度 换 算 得 到 。 施 工过 程 中的桥 梁 内力 和 变形 由各施 工 阶段 内 力 叠加而成 ， 不 同施 工过程 的桥梁 内力 和变形 区别很 大 6 叫 j 。根 据施 工 过 程将 该 桥 划 分 为 4 5个 施 工 阶 段 ， 各施工 阶段 的受力体系不 同。施工过 程包 括安装 单元 、 拆除单元 、 施 加临时约束 、 解 除约束等工况 。 为检 验施 工过 程 中拱 肋 高 支架 的稳 定性 ， 建 立 支架 有 限元模 型 ， 进 行受 力 分 析 和 稳 定性 验 算 。拱 肋安 装支架 为格 构柱 承重构 件 ， 各柱 由直 径 4 2 5 m、 厚 6 mm 的钢管组 成， 钢管 间用角钢作缀 条连接 。 拱肋 支架有 限元 模 型见 图 3 。 3桥 梁 施工过 程分 析 将模 型计算 结果 中施 工时 的应 力和 变形 历程 作 为施 工控 制的基 准 。内力 主要 关注施 工 阶段 的拱 脚 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 3 O 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 时 莹 趟 埴 凹 器 面 莹 她 器 1 3 5 7 9 l 】 l 3 1 5 施工阶段 ( a )钢管应力 日 垒 _ H 葵 赠 扭 1 3 5 7 9 l 1 1 3 l 5 施工阶段 ( b )混凝土应力 图 5 主 跨 1 4截 面 拱 肋 应 力 Fi g 5 S t r e s s i n S e c t i o n o f Ar c h Ri b o f 1 4 Ma i n S p a n 叮 莹 R H 蝉 缸 1 3 5 7 9 1 l l 3 1 5 1 3 5 7 9 l l 1 3 1 5 施工阶段 施工阶段 ( a )钢管应力 ( b )混凝土应力 图 6拱 顶 截 面 应 力 Fi g 6 S t r e s s i n S e c t i on of Ar c h Cr o wn 小次序大体为： 内侧下弦外侧下 弦 内侧上弦 外侧上弦， 这与混凝土灌注次序相一致 ， 即先期灌注 的混凝土所受压应力较后期灌注混凝土压应力大。 拱 肋应 力在第 1次张拉 吊杆 以及 安装 桥 面 系 2 个 施 工阶段 明显 增 大 。在 后 期 徐 变 5年后 ， 混 凝 土 压 应力 减小 、 钢 管应力 增 大 ， 这 是 由于混凝 土 的收缩 徐变 使得截 面 发生 了应 力重分 布 。 3 2桥梁 变形 桥梁 施工 过程 中 的累计位 移关 系到 预拱 度 的设 置 问题 ， 图 7和 图 8为成 桥及 成桥 5年后 的系梁 、 拱 肋竖 向位移 。 由 图 7 、 图 8可 见 ， 在 施 工 过 程 中 ， 系 梁最 大 变形 仅 为 3 9 I T l m， 考 虑后 期 徐 变后 系 梁 跨 中上拱 达 2 7 5 mm； 拱 肋 在 成 桥 时 最 大 累 计 下 挠 1 6 6 mi i 1 ， 5年徐 变 后 拱 肋 下挠 2 8 3 mm。施 工 时 应根据施工变形综合考虑活载效应 、 徐变发展等因 素合 理 设置 预拱度 。 4拱 肋施 工 支架 稳定 性 在 拱 肋 合 龙 并 灌 注混 凝 土后 拆 除 拱肋 支 架 ， 此 时拱肋横向连接也 已形成 ， 拱肋落架后的稳定性能 冒 厦 图 7系梁竖 向位移 F i g 7 V e r t i c a l Di s p l a c e me n t o f Ti e B e a m 够保证。施工 中稳定性 的薄 弱环节为拱肋施工 支 架 ， 因此 需 对 施 工 过 程 中 的 拱 肋 支 架 稳 定 性 进 行 检算。 4 1 支架 荷 载及组 合 作用 在 支架 上 的荷 载有 ： 支架 自重 ； 拱肋 及横 撑钢 结构 自重 ， 拱 肋 钢 管 中灌 注混 凝 土 的部 分 重量； 作用在拱肋上的横桥向风力传递到支架顶 端 的荷 载 ； 作用 在 支 架 柱 、 梁 上 的 风荷 载 。假 设 0 吨 0 锄 枷 咖 珈 啪 O q 书 m 加 0 鲫 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢管混凝土系杆拱桥施工中受力性能及稳定性分析 陈钒 ， 王建欣 ， 王江宇 ， 韩大勇 3 1 、星 潍 厘 距支座距离 m 图 8 拱肋 竖向位 移 Fi g 8 Ve r t i c a l Di s p l ac e m e n t o f Ar c h R i b 在灌注拱肋混凝土前 ， 拱肋上风力全部传递到支架 顶部 ； 在灌 注混 凝 土后 ， 拱 肋 上风力 传递 到支 架上 的 荷载 根据 桥梁 刚度 与支架 刚度 之 比进行 分配 。 荷载 组合 为 ： 组 合 工， 拱肋 灌 注混凝 土 后 ， 不 计风力； 组合 ， 拱肋灌注混凝 土后 ， 计入横 向风 力； 组合 ， 拱肋灌注混凝土前 ， 计人横向风力 。 组合 、 用来检算格 构柱的横桥 向稳定性 。 由于顺 桥 向风荷 载要 乘 以 0 7 5的 系数 ， 而且拱 肋纵 向面积 远小 于横 向面 积 ， 故 格 构柱 的顺 桥 向稳 定 主 要受竖向力控制 ， 因此组合 I用来检算格构柱顺桥 向弯 曲稳定 性 。 4 2 拱 肋 支架稳 定 为提高整体稳定性 ， 拱肋支架各柱之间纵 、 横向 均 设有 水平 连接 ， 构成 多 层 框 架 结 构 。进 行 稳定 性 分 析时 必须 先确 定 各柱 段 的计 算 长 度 ， 然 后 分别 对 其进行整体稳定、 分支稳定性计算 ， 整体及分支稳定 性 均包 括纵 、 横 向稳定性 。 框架柱计算长度的确定 比单柱复杂， 因为其反 弯点 距 离与边 界 约束 有 关 ， 而 每 段 柱 的边 界就 是 与 之相连的梁和柱。因此 ， 框架格构柱的计 算长度系 数 M 可 由柱上 端 的梁 柱 刚 度 比与柱 下 端 的梁 柱 刚 度 比确定 J 。 荷 载组合 、 作用 下 验算支 架 的横 向稳定 性 ， 荷载组合 I作用下验算支架的纵向稳定性。对各支 架柱 分段 进行 整体 稳定性 和分支稳 定性 验算 。整体 稳定性 名 义 应 力 ， 和 分 支 稳 定 性 名 义 应 力 厂 见 表 2 。 表 2中， 整 体稳定 性名 义应 力最 大值 为 1 5 9 MP a ， 分支稳定性名义应力最大值 为 1 8 4 MP a ， 均 小于 Q2 3 5钢材容许应力 2 1 5 MP a ， 因此支架整体 稳定性和分支稳定性均满足要求 。 表 2拱肋支架各分段整体 、 分支稳定性名义应力 Ta b 2 Nomi na l St r e s s o f GI o b al a nd Lo c al St a b i l i t y o f Di f f e r e n t Pa r t s of S c af f o l di n g f or Co n c r e t i n g o f Ar c h Ri b s M Pa 5 结 论 以南水北调河南南 阳姚湾跨渠钢管混凝土系杆 拱桥为背景 ， 考虑施工加 载、 钢管 内混凝 土灌注顺 序 、 混凝 土强度 发 展 及 收缩 徐 变 、 体 系转 换 、 支 架 刚 度等 施工 细节 ， 建 立 了施 工 分析模 型 ， 进 行 了施工 全 过程 受 力 、 变 形分 析 ， 并 对拱 肋支架 进行 了稳 定性 检 算 ， 得 出如下结论 ： ( 1 )施工 过 程 中拱 肋 钢 管 最 大 压应 力 、 管 内混 凝土 最大 压应 力均 满足 规范 要求 。 ( 2 )各分支钢管中混凝土的压应力与混凝土灌 注次 序有 关 ， 即先 期灌 注 的混 凝 土所 受 压 应 力 较后 期 灌 注混凝 土所 受压 应力 大 。 ( 3 )钢管 内灌 注混 凝土 的徐 变会 使 得 钢管 混凝 土截面发生应力重分布 ， 规律为混凝土压应力减小 、 钢管应 力增 大 。 ( 4 )拱肋 支架 受力 应根据 包 含 支架 刚 度 的桥梁 施 工模 型计 算 ， 拱肋 支 架 的 稳 定性 也 满 足 整 体稳 定 性 和分 支稳 定性 要求 。 参考 文献 ( Re f e r e n c e s ) ： 1 陈宝春钢管混凝土拱桥 ( 第 二版) M 北京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 0 0 7 ( CH EN Ba o c h unCo nc r e t e Fi l l e d St e e l Tubu l ar Ar c h B r i d g e( 2 n d E d i t io n ) E M B e O i n g ： C h i n a C o mmu n i e a t i o ns Pr e s s，20 07 i n Ch i n e s e ) E 2 陈钒 ， 唐英 ， 杨晓燕大跨度 中承 式钢管混凝土肋 拱桥实验研究E J 四川建筑 ， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 6 ) ： 8 1 8 6 ( CH EN Fa n，TANG Yi ng，YANG Xi a o y a nExp e r i 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