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，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Φ450 mm主钢管和32根Φ250 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 -163.50 -155.31 -135.60 -77.76 -115.14拱脚 0 0 0 0 0 0弯矩/(kN·m) 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 0 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 kN·m;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 m×3.5 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，角钢规格为100 mm×