钢管混凝土提篮拱桥施工阶段有限元分析.pdf

5 0 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 7 - 0 0 5 0 0 3 钢 管混凝 土提篮拱桥施工 阶段有 限元分析 王 剑 ( 中铁 十四局集 团 第 四工程有 限公 司 ， 济南2 5 0 0 0 2 ) 摘 要 ： 广深港铁 路 线广 深段 沙湾 水道特 大桥 为钢 管 混凝 土提 篮拱 桥 ， 提 篮 拱桥 上 部 结 构 可 划分 为 1 5个 施工阶段 ， 对该桥的 l 5个施工阶段 ， 分别采用桥 梁博士软件和 M i d a s 软件建立二 维平面模型和三维空 间模型 ， 进行有限元对比分析 ， 得到各阶段拱肋钢管和拱肋混凝土压应力以及拱肋钢管竖向位移 ， 对该 桥梁工程的施工控制起到了很好的指导作用， 也为今后 同类工程的施工和设计提供 了参考和借鉴。 关键 词 ： 钢 管 混凝 土提 篮拱桥施工 阶段有 限元 中图分类 号 ： U 4 4 8 2 2 ；T U 3 9 2 3 文献标 识码 ： A 尼尔森体 系钢管混凝土提篮拱桥是柔性系杆拱 桥 ， 施工时靠系杆的张拉力来平衡荷载的作用 ， 因此施 工顺序对拱桥的最终拱肋线形和结构受力均有较大影 响。同时 ， 在已建客运专线铁路桥中， 可借鉴的钢管混 凝 土提 篮拱 桥 的施工 经验 较少 ， 故对该 类 拱桥施 工 的各个 阶段进行有限元计算分析并指导施工具有重要 意义 。 杨兴旺 等对拟建的 1 1 2 m新建铁路九 河特大 桥提篮式系杆拱 主桥进行 了有 限元分析 J ， 研究 了 5 种施工方案在施工全过程中的结构整体稳定性和构件 承载力 ， 但未对施工过程 中拱肋钢管 和混凝土 中的应 力及整体变形进行分析 ， 后者将更 有助 于指导桥梁施 工 过程 。本 文 以广 深港 铁路 线广 深段 沙湾 特大桥 钢管 混凝土提篮拱桥为例 ， 分别采用桥梁博士软件和 mi d a s 软件进行平面和空间有限元分析 ， 并将分析结果用于 该桥的施工控制。 l 施工 阶段划分 1 1工程 概况 广深港铁路线广深段沙湾特大桥钢管混凝土提篮 拱桥全 长 1 1 6 m， 计 算 跨 度 为 1 1 2 m， 桥 下 净 空 为 3 2 9 m。 提篮拱 桥采用单箱 三室截面预应力 混凝土系 ( b ) 断面 图 检 查 孔 厂 l 1 截 水槽 1 r = = lI l= = = 三 图 1 提篮拱 主桥 布置及提篮拱上部结构横断 面示 意 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 1 1 0； 修回 日期 ： 2 0 1 0 -05 -08 作者简介 ： 王剑 ( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 山东蓬莱人 ， 工程师。 梁。系梁底板在 3 0 m范围内上抬 0 5 m以减小风阻 力 。桥面箱梁顶宽 1 7 8 m， 梁高 2 5 m。系梁 吊点处 设横梁 ， 横梁为实体截面。系梁箱体底板厚为 2 8 e m， 2 0 1 0年第 7期 钢管混凝土提篮拱桥施工 阶段有 限元分 析 5 1 顶 板 厚 为 3 0 c m， 边 腹 板 厚 为 3 5 o n 1 ， 中 腹 板 厚 为 3 0 c m。 提篮拱桥按尼尔森体系布置 吊杆 ， 矢跨 比为 1 ： 5 ， 拱肋平面内矢高为 2 2 4 m。拱肋采用悬链线线型 ， 拱肋横 截 面采用 哑铃 形 混 凝 土 钢 管截 面 ， 截 面高 度 为 3 0 m， 沿 程等 高布 置 ， 钢 管 直 径 1 2 0 0 mm， 厚 1 8 m m。 每侧拱肋的两钢管之间用厚 1 6 m m的腹板连接。拱 肋在横桥向内倾 9 。 ， 形成提篮式 ， 拱顶处两拱肋 中心 间距 9 1 9 m， 拱脚处两拱肋 中心间距 1 6 2 0 m。全桥 共设 5处钢结构横撑 ， 分别为一字撑和 K形撑。 主桥立面布置及横断面见 图 1所示 ， 根据设计要 求 ， 提篮拱桥采用先梁后拱的施工方法。 1 2施工 阶段 该钢管混凝土提篮拱桥上部结构可划分为 1 5个 施工阶段 ： 首先浇筑系梁混凝土 ， 达到设计要求后 ， 张 拉第一批预应力 ， 拼装拱肋钢管 ， 并浇筑钢管 内混 凝 土； 之后依次进行 吊杆张拉 ， 吊杆张拉的过程按照 1 2 个工况进行 ， 吊杆编号见 图 2 ， 依次对称完成各 吊杆张 拉施工 ； 各吊杆安装完毕 ， 初次张拉全部完成后 ， 张拉 系梁剩余预应力索 ， 拆除系梁支架 ； 最后二期恒载施工 图 2吊杆编号布置 完成 ， 吊杆张拉力达到最大。 2 有 限元计算模型 2 1 计算 参数 荷载取值如下 ： 主桥 自重按实际尺寸及材料 的密 度进 行 计算 ； 二期 恒载 ， 包 括 曲线 双线 、 无声 屏 障、 C R T S I 型板式无砟轨道， 按照 1 4 8 9 k N m取值 ； 制动 力或牵引力按照竖向静活载的 1 0 取值 ； 设计活载为 Z K活载 。 温度 取值如 下： 合龙 温度取 ( 1 73 ) c I = ； 均匀升 温 、 降温取 2 5 C和 一 2 5 ； 非均匀升温、 降温分别为拱 肋 1 0 ， 吊杆 1 5 o C及系梁 +1 0 、 一 8 。 该钢管混凝土提篮拱桥上部结构各构件材料特性 值如 表 1 所 示 。 表 1 提篮拱桥上 部结构 各构 件材料特性值 2 2 有 限元模 型 利用桥梁博士计算 软件建立平面有限元模型 ， 见 图 3所示 ， 共 计 2 4 8个 平 面 梁 单 元 ， 2 2 4个 节 点 ； 忽 略 全桥 横撑 和横 隔板对 结构 刚度 的影 响和 桥梁 横 向几何 形状对结构变形 的影响 ， 将其作为荷载 ， 以集中力作用 到模 型相应 位 置 。 图 3 提篮拱桥平面有限元模型 利用 MI D A S C i v i l 有 限元计算 软件 ， 建 立该提篮 拱桥的空间有限元模型， 如图 4所示 ， 采用空间桁架单 元模型， 共计 5 0 6个 空间梁单元 和 4 8个空 间桁 架单 元 ， 2 6 7个节 点 。 在 简化力 学模 型 时 ， 为 保 证 边梁 竖 向抗 弯 刚 度 提 图 4 提篮拱桥空 间有 限元模 型 供约束扭转刚度与实际结构 的等效性 ， 横隔板采用工 字型截面， 即将箱梁顶板 、 底板的一部分作为工字型截 面 的翼 缘 板考 虑 ， 同时 所增 加 的 自重 通 过 调 整材 料 容 重将其抵消。 3 计算结果分析 3 1 拱 肋钢 管和 拱肋 混凝 土应 力 通过计算得到各施工阶段提篮拱桥拱肋钢管和拱 肋混 凝 土应力 ， 如 图 5和图 6所示 。 5 2 铁道建筑 翻 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 1 2 1 3 l 4 1 5 施工阶段 图 5 提篮拱桥拱肋钢管最大压应力 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 1 1 l 2 1 3 1 4 1 5 施工阶段 一平面模型 一空间模型 图 6 提篮拱桥 拱肋混凝 土最 大压 应力 根 据 图 5和 图 6可 以看 出 ： 1 ) 拱肋钢管和拱肋混凝土均处于受压状态 ， 总体 上 压应力 随着 施工 阶段 的进 行 逐 渐 变大 ， 到最 终 施 工 阶段时达到最大值。 2 ) 拱肋钢管压应力最大为 8 1 5 MP a ， 满足钢管构 件的强度要求 ； 拱肋混凝土最大值为 9 8 M P a远小于 C 5 5混 凝 土的强度 要求 。 3 ) 在第 7和 1 3施工阶段压应力出现下降波动 ， 此 两阶段分别为 3 和 1 吊杆施工。由图 2可见 ， 3 和 1 吊杆均位于提篮拱桥端部 ， 其张拉施 工将缓解拱肋 内 部应 力 。 4 ) 最后两个施工阶段为张拉 系梁剩余预应力索 ， 拆 除系梁支架以及二期恒载施工完成 ， 在该施工 阶段 中拱 肋 中压 应 力增 长 较 大 ， 增 长 量 约 占总应 力 的 2 0 ， 因此应对该阶段施工给以特别关注， 确保施工安 全 。 3 2 拱 肋钢 管竖 向位移 通过有限元计算得到各施工阶段拱肋钢管变形 ， 选取第 1 、 1 3 、 1 4 、 1 5施工阶段变形计算结果 ， 见图 7 。 由图 7可见 ， 随着施工阶段的进行， 拱肋钢管竖向 位移有先增 大后减小的态势 ， 至施工 阶段 1 3 ， 即完成 所有 吊杆张拉施工时， 拱肋钢管跨 中竖向位移达到最 大值 ， 平面有限元计算模型计算结果为 4 0 c m， 空间 n ” I 螂 l ! 姒l ( a ) 第l 旌工阶段 ： 竺 。 “ 。 。 ( b ) 第l 3 施工阶段 。 n n 吣 渤删 蚴 !m 峨 。b “ “ “ ( c ) 第1 4 施工阶段 ” 卿 3 图 7拱肋位移 有限元计算模型计算结果为 3 0 c m； 之后竖向位移逐 渐减小， 至二期荷载上桥施工完成时， 跨中位移减至最 小值 ， 平面有限元计算模型计算结果为 3 2 c m， 空 间 有限元计算模型计算结果为 2 1 c m。因此 ， 在进行上 部拱肋施工时 ， 须考虑施工产生的竖 向位移 ， 按照设计 要求和计算分析结果做好空间预 留。 3 3模 型对 比分 析 从两种有限元模型的计算结果可 以看出， 空间模 型计算 结果 均小 于平 面 模 型 ， 这是 由于空 间模 型充 分 考 虑 了桥梁横 向刚度 和几 何 形 状 等 因 素 的影 响 ， 模 型 与桥 梁 实际情 况更 加符 合 ， 因 此在 进 行 施 工控 制 时 将 主要参考空间模 型的计算结果 ， 平 面模型的计算结果 可作 为对 比参 考 。 4 结语 本文对广深港铁路线广深段沙湾水道特大桥钢管 混凝 土提 篮拱 桥分别 建 立 平 面 模 型 和空 间模 型 ， 对 该 桥 的不 同施 工 阶段 结构 受 力 和 整 体 变形 进 行 了分析 ， 计算结果基本一致 ， 由于空 间模型把综合影响考虑较 多， 使分析结果更为趋于合理。 通过计算分析 ， 对关键工况的关键 问题提前做 出 预警 ， 同时对 工程 施工 起到很 好 的指 导作用 ， 保证 了施 工质量和施工进度， 可为 同类工程的设计计算和施工 控制提供参考和借鉴。 参 考 文 献 1 冯广胜 尼尔森体系提篮拱桥施工技术 J 铁道标准设计， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 1 0 ) ： 4 2 - 4 5 2 薛照钧 下 承尼 尔森体 系钢管混凝 土提篮 式系杆拱 桥在铁 路客运专线上的应用设计 J 桥 梁建 设 ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 5 ) ： 4 O _ 4 3 3 杨兴旺 ， 赵 雷， 李乔 提篮式 系杆拱桥 施工全 过程承 载力分 析 J 桥 梁建设 ， 2 0 0 4， 3 0 ( 3 ) ： 1 2 0 1 2 2 4 聂辉 ， 尚艳亮 ， 宋强 仓 安路斜 拉桥牵 索挂篮横 梁应力 的室 内试验 J 铁道建筑 ， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 2 2 2 3 ( 责任 审编 白敏华) 加 如 们 加 m 2 O 8 6 4 2 w 逻