1、高速铁路连续梁拱桥拱肋施工方案对比分析 高速铁路连续梁拱桥拱肋施工方案对比分析陈代海,马凤瑞,仇元淼,曹宁宁(郑州大学土木工程学院,河南郑州450001) 摘要一座高速铁路桥梁跨越南水北调主干渠,桥型为梁拱组合体系拱桥,其钢管拱肋施工方案由原来的竖向转体施工转变为支架施工。根据高速铁路梁拱组合体系桥梁的结构特点,设计了一种适用于拱肋支架施工的支架结构。结合拱肋竖向转体和支架拼装2种施工方案,采用MIDAS/Civil模拟施工过程,并对各阶段的关键截面内力、应力和竖向位移进行分析。结果表明:设计的支架结构强度、刚度和稳定性验算结果均满足规范和设计要求;与拱肋支架拼装施工方案相比,竖向转体施工方案2、中拱肋的内力、应力以及竖向位移较大,但亦满足规范和设计要求,2种施工方案均合理可行;从拱肋受力、施工难易程度、经济性、安全性等方面考虑,支架拼装施工方案比竖向转体施工方案更具有优越性。关键词高速铁路桥梁;连续梁拱桥;拱肋竖向转体施工;拱肋支架施工;支架验算目前,关于拱桥拱肋的施工技术和受力特性方面的研究文献较多,文献1以实际工程为背景,详细阐述了钢管拱竖向转体施工方案、安装方法及同步提升竖向转体施工的控制要点;文献2依托澜沧江特大桥,对比分析了整体竖向转体和二次竖向转体2种施工方 案;文献3-4研究了转体施工牵引力和如何选择转体施工控制位置;文献5提出了一种新型钢-混凝土组合拱桥的竖向转体体系3、,并对其关键部位进行了受力分析。文献6提出了拱肋体系转换与合龙控制的无应力状态法及其工程 应用。文献7提出了先支架拼装再竖向转体合龙的方案,通过方案比选,采用了单拱肋和双拱肋单元整体吊装相结合的“缆扣法”施工方案;文献8对采用贝雷架体系搭建不同结构形式的拱肋支架方案进行了优化和研究;文献9介绍了拱桥少支架施工技术。综上所述,相关研究内容主要集中于拱肋竖向转体施工方案、支架施工方案的介绍和某一种方案的相关计算、优化等,对2种施工方案中拱肋力学性能的对比分析相对较少。因此,本文以一座高速铁路梁拱组合体系拱桥为例,设计了一种适用于拱肋支架施工的支架结构,根据拱肋竖向转体和支架拼装2种施工方案,运用有4、限元软件MIDAS/Civil模拟施工过程,从而分析各施工过程中拱肋的内力、应力和竖向位移,并依此提出合理的施工建议。 1 工程背景1.1 工程概况一座高速铁路桥梁跨越南水北调主干渠,主桥采用(74+160+74)m预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱组合结构。桥梁全宽14. 2 m,防护墙内侧净宽9.0 m,中支点处(拱脚)局部加宽为16. 3 m。设计速度为350 km/h。拱肋采用钢管混凝土结构,计算跨度为160.0 m,设计矢高为32.0 m,拱肋以施工拱轴线进行预制和拼装。为节约成本 和加快施工进度,拱肋施工方案由原来的竖向转体施工转变为支架拼装施工。主桥中跨设计如图1所示。图1 主桥中5、跨设计(单位:cm) 1.2 有限元建模拱肋钢管、腹板、横撑均采用Q345q-D钢,吊杆采用LZM(k)7-I型吊杆系统。拱肋采用等高度哑铃形截面,横撑为空间桁架撑,采用4根450 mm主钢管和32根250 mm连接钢管组合而成。采用MIDAS/Civil建立全桥有限元模型,采用空间梁单元模拟桥墩、主梁和拱肋,采用杆单元来模拟吊杆和横撑,采用弹性连接模拟支座,桥梁有限元模型如图2所示。图2 桥梁有限元模型 2 拱肋竖向转体施工方案 2.1 施工工艺竖向转体施工法的步骤是首先将拱圈从跨中分为两半,在已有桥面上搭设支架,在支架上组拼拱肋;然后利用拉索牵引拱肋竖向转体至设计标高,并在跨中合龙完成结构6、的安装。拱肋竖向转体施工步骤如下。1)在桥面架设、拼装拱肋用临时支架和拱肋竖向转体用塔架,安装张拉拉索用千斤顶及其他设备。 2)在桥面临时支架上拼装拱肋钢管,焊接拱肋间横撑,安装拉索、揽风绳等临时稳定设施。3)拱肋竖向转体预张拉步骤:用千斤顶张拉拉索直至拱肋刚好脱离桥面临时支架,在该状态保持静置12 h以上,并检测拱肋关键截面的应力与竖向位移;检查前吊点、拱脚、塔架鞍部、塔架底部、后锚点等关键部位的竖向位移与局部应力,如遇异常情况,应将拱肋放回支架后及时处理。4)拱肋竖向转体步骤:两半拱肋同时缓慢 起吊,起吊过程中监测关键部位的竖向位移与应力,拱肋转体至高出设计标高2.2 m处停止起吊,而后缓7、慢放落拱肋至设计标高处。对拱轴线进行监测,确保其满足设计要求,监测时需考虑钢管拱弹性竖向位移的影响。5)拱肋竖向转体到位后,当气温与主梁合龙温度接近时,合龙钢管混凝土拱肋,固结拱脚,拱脚处联接铰在上下弦管焊接固结后拆除。6) 拆除拉索、揽风绳、塔架、支架等临时施工设施。拱肋竖向转体施工示意如图3。图3 拱肋竖向转体施工示意 2.2 拱肋竖向转体时的内力、应力和竖向位移根据拱肋竖向转体施工步骤,考虑拱肋吊装过程中如图3所示的6种不同工况,分别计算拱肋在拱脚、1/4跨以及跨中位置处的内力、应力和竖向位移,计算结果见表1。表1 各工况下拱肋的内力、应力、竖向位移注:应力正值为拉应力,负值为压应力。响8、应位置工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 工况6-1 388.04轴力/kN 1/4跨-1 188.49 -1 177.43 -1 159.89 -1 141.18 -1 106.24 -1 116.67跨中48.52 33.17 19.18 7.55 -2.78 -1.73拱脚-1 292.52 -1 317.39 -1 341.72 -1 365.12 -1 395.56拱脚 -135.50 -128.29 -117.85 -104.30 -80.41 -87.08剪力/kN 1/4跨34.77 59.43 56.88 53.63 48.70 50.10跨中-170.41 -163.59、0 -155.31 -135.60 -77.76 -115.14拱脚0 0 0 0 0 0弯矩/(kNm) 1/4跨1 819.10 1 766.37 1 608.30 1 400.39 941.77 1 078.86跨中-1 059.52 -917.28 -772.69 -488.39 -160.31 -239.16拱脚 -9.70 -9.90 -10.10 -10.30 -10.50 -10.50应力/MPa 1/4跨-32.00 -31.10 -29.00 -26.30 -20.20 -22.00跨中13.80 11.90 9.95 6.25 -2.07 -3.06拱脚0 0 0 0 010、 0竖向位移/mm 1/4跨-31.69 -29.47 -27.22 -23.39 -16.00 -18.10跨中12.91 13.17 12.38 9.80 2.70 5.00 由表1可知,竖向转体施工过程中,拱肋的轴力最大值为1 395.56 kN;剪力最大值为170.41 kN;弯矩最大值为1 819.10 kNm;压应力最大值为32.00 MPa,小于容许应力值210 MPa,出现在1/4跨处;拱肋最大竖向位移为31.69 mm,小于钢结构规范挠度容许值L/1 000=160.00 mm,出现在1/4跨处。随着拱肋吊装高度的增加,除拱脚处,其他位置的拱肋轴力逐步减小,而剪力和弯矩最大值11、出现在刚起吊时,均位于规范和设计要求范围内;与拱脚和跨中位置相比,拱肋 1/4跨处的应力较大,因此在施工过程中,应加强拱肋关键位置的应力和变形监控。 3 拱肋支架拼装施工方案 3.1 支架设计与竖向转体施工相比,支架拼装施工无需大型的起吊设备,能节约成本;对拱肋的标高和平面位置的调整比较方便,能很好地控制拱轴线型;搭设支架平台能方便工人施工,可操作性更强,加快了施工进度。结合高速铁路梁拱组合桥的结构特点,设计一种适用于拱肋支架拼装施工的支架结构,其中,支架的主要构件为3.5 m3.5 m的格构式钢管立柱,由4根钢管组成,钢管直径为0.5 m,壁厚为0.02 m,4根钢管由角钢组成的平联进行连接12、,角钢规格为100 mm 10 mm。立柱在纵桥向的布置间距:拱脚处间距为3.25 m,跨中处间距为1.25 m,其余位置的间距为10 m。立柱在横桥向布置2排,净距为4.8 m。采用有限元软件MIDAS/Civil建立支架有限元模型,如图4所示。图4 支架的有限元模型3.2 支架验算支架验算内容包括强度、刚度和稳定性。支架承受的主要荷载为支架自重、拱自重、横桥向风荷载,其中拱自重以节点荷载的形式施加于支架相应位置。根据铁路桥涵设计基本规范(TB 10002.12005)计算得到横桥向风荷载,并以均布荷载的形式作用于支架,永久荷载(支架和拱肋重量)的分项系数取1.2,可变荷载(风荷载)的分项系13、数取1.4,对支架结构进行静力和屈曲分析,其应力和变形计算结果见表2。表2 支架在组合荷载作用下的应力和变形-47.29 0最大值(max) 47.20 8.48/mm最小值(min)响应应力/MPa 变形最大值出现位置跨中处支架下部跨中处支架上部由表2 可知,在组合荷载作用下,支架应力最大值为47.29 MPa,出现在跨中处支架下部,小于Q235钢的容许应力160 MPa;支架的最大变形值为8.48 mm,出现在跨中处支架上部。对支架进行屈曲模态分析,支架的1阶模态屈曲临界荷载为组合荷载(包括支架自重、拱肋自重和风荷载)的83.84倍,2阶模态、3阶模态、4阶模态的临界荷载系数分别为83.914、7,84.58和84.71,各阶模态的临界荷载系数均远大于设计限值4。由此可见,所设计支架的强度、刚度和稳定性均满足规范和设 计要求,可用于高速铁路梁拱组合桥拱肋的支架施工。 3.3 拱肋支架拼装时的内力、应力、竖向位移拱肋支架拼装过程中,从拱脚开始对称拼装拱肋,逐渐向跨中合龙,共分为7个施工阶段。建立有限元模型模拟支架施工过程,并分析拱肋的内力、应力和竖向位移,计算结果见表3。表3 各施工阶段拱肋的内力、应力和竖向位移最大值施工阶段轴力/kN剪力/kN弯矩/(kNm)应力/MPa竖向位移/mm 1 -41.30 -54.70 123.70 1.61 -0.11 2 -43.10 -65.6015、 144.30 1.81 -0.12 3 -37.90 -65.20 140.30 0.83 -0.11 4 -38.90 -65.30 135.00 -1.72 -0.10 5 -35.40 -128.50 428.40 5.41(1/4跨) -0.89 6 -50.80 -127.10 431.90 -5.50 -1.10 7 -77.90 -167.30 565.90 -7.48 -1.31(跨中) 由表3可知,拱肋在支架施工过程中,轴力最大值为77.90 kN,剪力最大值为167.30 kN,弯矩最大值为565.90 kNm,均出现在拱肋合龙施工阶段;拉应力最大值为5.41 MPa,出16、现在1/4跨,压应力最大值为7.48 MPa,出现在拱肋合龙施工阶段,小于容许应力210 MPa;拱肋最大竖向位移为1.31 mm,出现在跨中,小于容许竖向位移L/1 000=160.00 mm。随着拱肋拼装节段的增加,拱肋的内力、应力和竖向位移均呈逐渐增大的趋势。当拱肋合龙时,拱肋处于最不利状态,其响应值达到最大,但均位于规范和设计要求范围内。 4 2种施工方案对比分析建立有限元模型模拟拱肋竖向转体和支架拼装2种施工方案的施工过程,计算 拱肋的内力、应力和竖向位移,拱肋响应的最大值见表4。表4 2种施工方案的拱肋内力、应力和竖向位移最大值施工方案轴力/kN/mm竖向转体剪力/kN弯矩/(kN17、m)应力/MPa竖向位移-1 395.56 -170.41 1 819.10 -32.00 31.69支架拼装 -77.90 -167.30 565.90 -7.48 1.31 由表4可知,从拱肋受力角度分析,与拱肋竖向转体施工方案相比,支架拼装施工方案中拱肋的内力、应力以及竖向位移均较小,支架拼装施工方案比竖向转体施工方案更具有优越性。从施工难易程度分析,支架拼装施工方案更具操控性,施工方便;从经济性、安全性方面考虑,支架拼装施工方案不需大型机械设备,技术要求不高,施工更加经济、安全。 5 结论1)设计了一种适用于拱肋支架拼装施工的支架结构,其强度、刚度和稳定性验算结果均满足规范和设计要求。18、2)在拱肋竖向转体施工过程中,随着拱肋吊装高度的增加,除拱脚处,其他位置的拱肋轴力逐渐减小,而剪力和弯矩最大值出现在刚起吊时,应力最大值为32.00 MPa,出现在拱肋1/4跨,小于规范要求的容许应力值。从拱肋受力角度分析,拱肋竖向转体施工方案合理可行。3)在拱肋支架拼装施工过程中,随着拱肋拼装节段的增加,拱肋的内力、应力和竖向位移均呈逐渐增大的趋势,当拱肋合龙时处于最不利状态,其响应值达到最大,但均位于规范和设计要求范围内。4)相比于拱肋竖向转体施工方案,支架拼装施工方案中拱肋的内力、应力以及竖向位移 均较小,从拱肋受力、施工难易程度、经济性、安全性等方面考虑,支架拼装施工方案比竖向转体施工19、方案更具有优越性,该高速铁路梁拱组合桥梁的拱肋施工可变更为支架拼装施工方案。参考文献1张国云,张益多,鲍丽丽.京沪高铁跨锡澄运河系杆拱桥拱肋施工技术J.施工技术,2012, 41(5):35-37. 2张爱花.澜沧江特大桥提篮拱竖转施工方案比选J.桥梁建设,2010,40(4):79-82. 3何永昶.高速铁路超大吨位自锚式拱桥转体施工技术J.铁道建筑,2011, 51(2):85-87. 4张星.箱肋拱桥竖向转体施工技术研究J.桥隧工程,2015(11):230-232. 5朱世峰,周志祥.钢-混凝土组合拱桥竖转施工体系研究J.施工技术,2009, 38(7):64-68. 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Comparative Analysis of Arch Rib Construction Schemes for High Speed Railway Continuous Girder21、-Arch Bridge CHEN Daihai,MA Fengrui,QIU Yuanmiao,CAO Ningning (School of Civil Engineering,Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001,China) Abstract A high speed railway girder-arch combination arch bridge was constructed across the mail canal of the South-to-North W ater Diversion Project.T he c22、onstruction scheme of its steel tube arch rib was changed from the vertical rotation construction to support construction.According to the structure characteristics of the high speed railway girder-arch combination arch bridge,a kind of support structure for the support construction was designed.Com23、bining with the two kinds of construction schemes,the construction process were simulated by using M IDAS/Civil.T he internal force,stress and displacement of the key sections were analyzed in each stage.T he results show that the strength,stiffness and stability of the support structure all meet th24、e specification and design requirements.T he internal force,stress and vertical displacement of arch rib are larger in the vertical rotation construction scheme than the support construction scheme,but the values all meet the specification and design requirements,so the two construction schemes are 25、feasible.T he support construction scheme has more advantages than vertical rotation construction scheme in terms of the arch rib stress,degree of construction difficulty,economy and safety. Key words High speed railway;Continuous girder-arch bridge;Vertical rotation construction of arch rib;Support construction of arch rib;Checking computation of support structure 中图分类号U445.46 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2017.09.14 文章编 号:1003-1995(2017)09-0060-04 (责任审编郑冰) 收稿日期:2017-06-27; 修回日期:2017-08-30 基金项目:国家自然科学基金(51408557);中国博士后科学基金(2013M541995) 作者简介:陈代海(1982),男,副教授,博士。 E-mail:chendaihai1982