斜靠无风撑混凝土拱桥施工阶段静力分析

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1、李亚侠：斜靠无风撑混凝土拱桥施工阶段静力分析67DOI：10．13905／j．enki．dwi--．2015．03．026斜靠无风撑混凝土拱桥施工阶段静力分析李亚侠(哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨150090)【摘要】金山大桥是世界上跨度最大的斜靠式无风撑钢管混凝土拱桥。本文利用ANSYS有限元软件建立了金山大桥的全桥有限元模型，分析其在施工过程中的静力响应。由于斜靠拱的存在，拱肋在竖向荷载作用下的出平面位移较大。为保证拱肋线型，本文提出了出平面预拱度公式。考虑几何与材料非线性的影响，对该

2、桥在施工过程中的稳定性能进行了分析，描述了其在竖向及水平荷载的共同作用下的破坏过程。采用有效模量法和欧洲规范提供的混凝土模型考虑核心混凝土时效作用，考虑了施工过程中不同施工阶段荷载加载龄期的差异，分析了核心混凝土收缩徐变对钢管混凝土拱肋长期静力性能的影响。将分析结果与实测数据进行比较，验证了本文有限元模型与分析理论的合理可靠性。【关键词】钢管混凝土；斜靠式拱桥；施工过程；稳定；时效作用【中图分类号】TU378【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2015)O3—0067—03金山大桥位

3、于中国广东省潮州市，于2007年建成通车。该桥为五跨连续刚架系杆拱桥，全桥跨度558m(85m+114m+160m+114m+85m)。金山大桥是世界上跨度最大的斜靠式无风撑钢管混凝土拱桥。该桥拱肋由哑铃形钢管混凝土竖拱与空钢管斜靠边拱组成，两者之间每4m通过四根空钢管组成的“金字塔”形结构连结。全桥模型斜靠边拱可以有效提高拱肋稳定性，但同时会引起拱肋的出平面变形，为保证施工完毕时的拱肋线型，需要设置出平面预拱。本文采用ANSYS有限元软件建立金山大桥的全桥有限元模型，对其进行施工全过程分析。根

4、据分析结果提出拱肋出平面预拱度的经验公式。同时讨论施工过程对钢管混凝土拱桥静力响应的影响，分析金山大桥在施工过程中的稳定性能，并描述其在施工各阶段的典型破坏模式。最后，考虑不同施工阶段荷载的加载龄期之间的差异，分析金山大桥在施工完毕时的拱肋长期静力响应，通过与实测数据进行对比，验证模型与分析理论的可靠性。1有限元模型图1金山大桥有限元模型利用大型通用有限元软件ANSYS建立了金山大采用BEAM188单元模拟哑铃形竖拱的空钢管及桥的全桥有限元模型，针对不同的分析目的，对模型进上下弦核心混凝土，LI

5、NK10单元模拟系杆、吊杆及空行了相应的简化。采用五跨连续全桥有限元模型进行钢管吊装阶段的吊索，SHELL181单元模拟桥面板，计算，该模型考虑了土体对桩基的作用见图1(a)，忽略了桥面系对拱肋受力的影响，桥面自重以集中力的BEAM4模拟竖拱肋腹板内的核心混凝土、等效连杆、形式施加于拱肋相应吊杆位置上。根据文献[1]的分桥面系内的钢横纵梁、桩基础、V形支墩及其上的钢筋析结果，将连结竖拱与斜拱的“金字塔”形的四根连杆混凝土箱梁。土对桩基的作用采用COMBIN14模拟。简化成两根等效连杆进行模拟如图

6、1(b)所示。采用2出平面预拱生死单元技术模拟施工过程中拱肋刚度的变化及结2．1设置出平面预拱的必要性构的体系转换。本文的坐标系统与图1(a)中的坐标金山大桥中，吊杆穿过竖拱几何中心点。由于斜系相同。靠拱的存在，拱肋几何中心点与竖拱几何中心点不重68低温建筑技术2015年第3期(总第201期)合，因此桥面系的竖向荷载通过吊杆作用于拱肋上时将产生附加偏心距见图2(a)，使拱肋发生像内的出平面位移，见图2(b)。图3所示为整个施工过程中A跨拱顶在竖向及出平面方向的位移发展曲线。由图3可见，在施工过程

7、中，金山大桥拱肋出平面位移的增长十分迅速，其增长速度甚至超过了竖向位移的增长速度，在施工完毕时，A跨拱顶出平面位移达到95．3mm，是竖向位移的四倍。因此，为金山大桥拱肋线型满足设图4A跨施工完毕时出平面位移计要求，需要对其设置出平面预拱。式(1)即为金山大桥拱肋出平面预拱度公式。分析证明，采用该公式设置各跨拱肋出平面预拱，在施工完毕时拱肋基本可回到竖直平面内，与设计期望相差最大不超过3rnm。3施工过程对拱肋静力性能的影响图5所示为考虑(Y)与不考虑(N)空钢管合龙后的施工过程计算所得施工完毕

8、时A跨拱肋的静力响应10o．l一／／一6o：·m。一20．．．．一一80-6o一40—20020406o80m——r⋯⋯，Ⅳ拱肋内倾(a)拱肋出平面位移图2边拱引起的附加弯矩示意o'Jl~l-'a’一100．一80．r、／’、、．，、，，、／、，，～、_．o，⋯一．’一2O．一80—60—40—20020406080x／m施工步——y⋯一Ⅳ图3鹏拱顶位移(b)钢管最大压应力分布2．2出平面预拱公式图5施工过程对^j夸拱肋静力响应的影响施工完毕时A跨拱肋出平面位移沿拱肋方向的分布如图5所示。比较图