1、 桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化204 中铁十三局集团有限公司五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化第二工程公司 惠中华 张新 汪永田内容提要：本文通过对潮州市韩江北桥五连跨钢管混凝土拱桥施工加载程序的优化调整进行计算分析论证，提出在多跨连续钢管 砼拱桥施工加载过程中，在 坚 持基本对称加载的原则下对施工加载程序可以进行优化调整，具有明显的社会效益和 经济效益， 对同类桥 梁的施工有较好的借鉴作用。关 键 词： 五跨连续 钢管混凝土拱桥 施工加载 优化计算 1. 工程概况潮州市韩江北桥主桥为五跨连续无风撑下承式钢管混凝土系杆拱桥，其跨径组合为 11
2、 m +85 m +114 m +160 m +114 m +85 m +11m，每跨设 2 片拱肋，采用背靠式，每片竖拱肋与斜拱肋连成一体，每片竖拱肋均由 2 根钢管焊接成哑铃型，每片斜拱肋均为单根圆钢管。其中 A 跨净跨径为 L=137.2m，矢高为F=29.412m；B 跨净跨径为 L=94m，矢高为 F=19.377m；C 跨净跨径为 L=68.8m，矢高为 F=13.921m。为加快主桥施工进度，项目部向业主、设计、监控等相关单位提出在保证基本对称加载的原则下，对主桥施工加载程序进行优化调整，并将调整后的施工加载程序上报设计、监控两家单位进行计算分析复核，通过比对设计、监控、施工三家
3、单位的计算结果，决定优化调整主桥施工加载程序。施工加载前，根据计算分析得出每个施工加载阶段主拱以及各相关主墩的位移、应力计算值，在施工加载过程中，通过对主拱肋线形以及各相关主墩的位移、应力进行监控，从而保证全桥各加载阶段均在安全、稳定的状态下进行，并且主拱线形最终能够达到设计要求。以 C 跨为例，C 跨实际结构跨度 85m，钢管拱拱肋轴线理论跨径 68.8m，理论矢高 13.931m，理论矢跨比 f/L=1/4.94。拱肋截面竖拱弦管直径 80cm，厚度20mm，斜拱弦管和竖拱相同。C 跨拱肋断面具体构造见图 1。桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化中铁十三
4、局集团有限公司 205图 1 拱肋构造图全桥布置情况见图 2。图 2 全桥布置图2. 计算目的为加快韩江北桥主桥施工进度，项目部提出在保证对称加载的原则下，结合现场施工实际情况，对主桥施工加载程序进行优化调整，项目部首先组织技术人员对韩江北桥施工加载过程进行计算分析，从位移和应力两个方面分析结构是否安全，从而为优化施工顺序，加快施工进度提供有力依据。3. 计算依据3.1 韩江北桥设计图纸。3.2 韩江北桥原设计加载程序（见表 1） 。3.3 结合现场施工实际情况提出的调整后的加载程序（见表 2） 。表 1 原设计加载程序序号西 C 跨 西 B 跨 A 跨 东 B 跨 东 C 跨1 钢管拱肋安装
5、 钢管拱肋安装2 钢管拱肋安装 钢管拱肋安装3 钢管拱肋安装4 灌筑下弦管砼 灌筑下弦管砼5 灌筑上弦管砼 灌筑上弦管砼6 灌筑腹板砼 灌筑腹板砼7 灌筑下弦管砼 灌筑下弦管砼8 灌筑上弦管砼 灌筑上弦管砼9 灌筑腹板砼 灌筑腹板砼桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化206 中铁十三局集团有限公司10 灌筑下弦管砼11 灌筑上弦管砼12 灌筑腹板砼13 吊杆和横梁 吊杆和横梁14 吊杆和横梁 吊杆和横梁15 吊杆和横梁16 桥面板 1/3 桥面板 1/317 桥面板(1/3) 桥面板 1/318 桥面板(1/3)19 桥面板 1/3 桥面板 1/320 桥面
6、板 1/3 桥面板 1/321 桥面板 1/322 桥面板 1/3 桥面板 1/323 桥面板 1/3 桥面板 1/324 桥面板 1/325 现浇层 现浇层26 现浇层 现浇层27 现浇层28 防撞墙 防撞墙29 防撞墙 防撞墙30 防撞墙31 第一层沥青砼 第一层沥青砼 第一层沥青砼 第一层沥青砼 第一层沥青砼32 第二层沥青砼 第二层沥青砼 第二层沥青砼 第二层沥青砼 第二层沥青砼33 人行道 人行道 人行道 人行道 人行道表 2 优化调整后加载程序序号西 C 跨 西 B 跨 A 跨 东 B 跨 东 C 跨1 钢管拱肋安装 钢管拱肋安装2 灌筑下弦管砼 灌筑下弦管砼3 灌筑上弦管砼 灌筑
7、上弦管砼4 灌筑腹板砼 灌筑腹板砼5 钢管拱肋安装 钢管拱肋安装6 钢管拱肋安装合拢7 灌筑下弦管砼 钢管拱肋焊接 灌筑下弦管砼桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化中铁十三局集团有限公司 2078 灌筑上弦管砼 钢管拱肋焊接 灌筑上弦管砼9 灌筑腹板砼 钢管拱肋焊接 灌筑腹板砼10 吊杆和横梁 钢管拱肋焊接 吊杆和横梁11 灌筑下弦管砼12 灌筑上弦管砼13 吊杆和横梁 灌筑腹板砼 吊杆和横梁14 桥面板 1/3 桥面板 1/315 桥面板 1/3 吊杆和横梁 桥面板 1/316 桥面板 1/3 桥面板(1/3) 吊杆和横梁 桥面板(1/3) 桥面板 1/3
8、17 桥面板(1/3) 桥面板(1/3) 桥面板(1/3)18 现浇层 1/2 桥面板(1/3) 桥面板(1/3) 桥面板(1/3) 现浇层 1/219 现浇层 1/2 现浇层 1/2 桥面板(1/3) 现浇层 1/2 现浇层 1/220 防撞墙 现浇层 1/2 现浇层 1/2 现浇层 1/2 防撞墙21 防撞墙 现浇层 1/2 防撞墙22 防撞墙23 第一层沥青砼 第一层沥青砼 第一层沥青砼 第一层沥青砼 第一层沥青砼24 第二层沥青砼 第二层沥青砼 第二层沥青砼 第二层沥青砼 第二层沥青砼25 人行道 人行道 人行道 人行道 人行道4. 建立有限元模型利用国际著名的大型通用有限元软件 AN
9、SYS 建立全三维模型进行模拟，x 轴由 Z6 指向 Z1 为正，y 轴向下为正，z 轴由上游指向下游为正。用梁单元模拟主拱肋、墩、V 构及箱梁，用杆单元模拟系杆，用弹簧单元模拟土体作用，用杆单元模拟临时支撑，桥面系构件以荷载方式施加。首先建立全桥模型，共有15000 多个节点，30000 多个单元，如图 3 所示。利用 ANSYS 的死活单元功能来模拟施工加载过程，对每个施工加载步骤进行计算分析。桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化208 中铁十三局集团有限公司图 3 全桥有限元模型图4.1计算假定如下：4.1.1 结构处于弹性范围，不考虑材料非线性4.1
10、.2 模型中不直接计入预应力效应，预应力的计算结果单独计算，然后和本计算结果叠加即可。4.2相应的模型图相应各主要施工阶段模型如下图 46 所示。桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化中铁十三局集团有限公司 209图 4 C跨合拢后的有限元模型图图 5 B跨合拢后的有限元模型图桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化210 中铁十三局集团有限公司图 6 A跨合拢后的有限元模型图5. 计算结果5.1位移计算结果分析根据计算可知在整个施工过程中，Z1 墩顶位移在-46mm 范围内，Z2 墩顶位移在-46mm 范围内，Z3 墩顶位移在
11、-36mm 范围内，Z4 墩顶位移在-53mm 范围内，Z5 墩顶位移在-53mm 范围内，Z6 墩顶位移在-64mm 范围内。在整个施工过程中，C 跨竖向最大位移 30mm，横向偏位（内倾）29mm，B 跨竖向最大位移 33mm，横向偏位（内倾）43mm，A 跨竖向最大位移 42mm，横向偏位（内倾）91mm。5.2应力计算结果分析分析计算结果可知，其中 V 构的最大应力(MPa)如表 3 所示，各 V 构受力最大值大多出现在最后成桥加载步骤的附近，加载中期出现的峰值均小于最大值。表 3 各主墩 V构最大应力值Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6引桥侧 C 跨 C 跨 B 跨 B 跨 A 跨
12、A 跨 B 跨 B 跨 C 跨 C 跨 引桥侧1.34 3.49 1.63 2.97 1.67 3.35 1.71 3.28 1.95 2.95 1.59 3.44注：理论分析表明，施加预应力会产生约为4MPa 的预压应力。墩顶和墩底的最大应力(MPa)如表 4 所示：表 4 直墩顶及墩底最大应力值Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6墩顶 墩底 墩顶 墩底 墩顶 墩底 墩顶 墩底 墩顶 墩底 墩顶 墩底1.61 0.63 0.09 -0.56 -0.05 -0.9 -0.22 -0.68 -0.05 -0.59 1.42 0.45注：理论分析表明，施加预应力会产生约为1.4MPa 的预压应力。桥
13、梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化中铁十三局集团有限公司 211各跨拱肋应力幅值(MPa)如表 5 所示表 5 各跨拱肋应力幅值A 跨 B 跨 C 跨构件max -min max -min max -min钢管 7.85 -99.7 6.46 -95.3 7.59 -90.8上钢管混凝土 1.17 -12.5 1.47 -9.31 1.31 -13.6下钢管混凝土 1.39 -9.02 1.79 -12.5 2.37 -11.8张拉 A 跨系杆之后的 V 构及墩的最大应力图参见图 7图 9。图 7 Z1最大应力图桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝
14、土系杆拱桥施工加载程序优化212 中铁十三局集团有限公司图 9 Z3最大应力图混凝土灌注过程的模拟参见图 10。A 跨竖拱拱肋应力云图 混凝土应力云图拱肋混凝土尚未灌注桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化中铁十三局集团有限公司 213A 跨竖拱拱肋应力云图 混凝土应力云图下管混凝土已灌注A 跨竖拱拱肋应力云图 混凝土应力云图上、下管混凝土均已灌注图 10 混凝土灌注过程的模拟6. 计算结论6.1 结构处于小位移，低应力状态，符合计算假定，结构是安全的。6.2 从加载完成的受力状态看，具有较好的对称性，成桥后结构受力未因加载程序的调整而产生很大改变。加载程序可
15、行，在施工中可以通过采取一些相应的措施来保证施工质量，并通过加强与相关监测单位的沟通，实时控制全桥结构的应力以及线形，以保证加载过程中结构的安全。7. 为保证加载过程中结构安全采取的相应措施a.由于加载过程为 C-B-A，且为保证适当超前加载满足平行流水作业需要及加快施工进度的目的，在系杆张拉时进行实时监测系杆张拉力，尽量做到微欠张拉，使结构受力更合理。b.在 Z1 和 Z6 引桥侧加临时支撑，以平衡 T 梁及主桥加载的不同步而引起的不平衡荷载，减小 V 构应力。根据目前实际监测情况，该措施能够起到一定的作用。c.从加载过程的计算结果来看，引桥附属工程可与主桥防撞栏、沥青层及人行道板施工时间相
16、同，这样受力情况比目前还要好一些。d.针对该桥结构型式比较特别（尤其是拱肋间无横撑） ，在加载过程中应尽可能保证对称并严格控制主拱横向偏位。又由于竖拱与斜拱连接形式特别，在加载过程中，主拱向内侧偏位，在加工及安装过程桥梁施工新技术现场经验交流会 五跨连续钢管混凝土系杆拱桥施工加载程序优化214 中铁十三局集团有限公司中，项目部向设计等相关单位提出增加主拱的面外预拱度，以尽量避免主拱在加载过程中内偏较大。最后通过计算以及实测数据进行对比，设计同意增加面外预拱，对主拱横向偏位及稳定性起到了较好的作用。8. 结束语在对计算结果进行分析后，项目部将计算结果与设计、监测单位进行及时沟通，用计算结果以及现
17、场实测的数据说话，做到有理有据，经多方会议讨论，一致同意在保证主桥对称加载的原则下对原有加载程序进行优化调整，并通过在实际施工过程中加强控制，从而不仅保证主桥加载过程中结构的安全性，而且能保证主桥施工工期（优化后工期能够缩短 2.5 个月） ，起到了预想的效果。在同类型桥梁的施工过程中，同样可以根据对结构的建模计算，通过分析计算结果，适时优化调整加载程序及施工步骤，做到施工加载程序更加贴近施工现场实际情况。参考文献：1、潮州市 韩江北桥施工 设计图. 广州市市政工程设计研究院.2004 年 8 月2、JTJ0412000.公路桥涵施工技术规范.人民交通出版社, 2000 年3、公路钢 筋混凝土及 预应力混凝土 桥涵设计规范. 人民交通出版社,2004 年 6 月
