钢管混凝土拱桥转体施工安全控制仿真分析研究.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１７）ｌＯ００５００５・桥梁工程・钢管混凝土拱桥转体施工安全控制仿真分析研究柳明佳（中铁二十四局集团有限公司路桥分公司上海２０００７０）摘要：随着施工工艺的不断提高，钢管混凝土拱桥的施工越来越多地采用转体施工法。转体施工工艺中各环节的安全控制将成为钢管混凝土拱桥顺利建成的关键。本文通过某工程实例，运用ＭＩＤＡＳ／ｃｉｖｉｌ软件仿真模拟计算分析转体体系中各环节的受力情况，从理论上验证了该桥采用的转体施工体系的安全性。论文的计算分析过程可为同类桥梁施工提拱借鉴。关键词：钢管混凝土拱桥转体施工安全控制仿真分析中图分类号：ｕ４４８．２２；Ｕ４４５．４文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９・４５３９．２０１７．１０．０１２ＳｉｍＩＩｌａｔｅｄＡｎａｌｙｓｉｓＲｅｓ昀ｒｃｈｏｎＲｏｔａｔｉｏｎＣｏ璐ｔ珈ｃｔｉｏｎＳａｆｂ够ＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＣｏ眦ｒｅｔｅ－伽ｅｄＳｔｅｅＩＴｕｂｅＡｒｃｈＢｒｉｄｇｅＬｊｕＭｉｎｇｊｉａ（Ｒ０ａｄ蚰ｄＢｒｉｄｇｅＢ瑚ｃｈ，Ｃｈｉ触Ｒ丑ｉｌｗａｙ２４山Ｂｕｒ船ｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｌｌｇｈａｉ２０００７０，ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｌｌｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｍｐｍｖｅｍｅｎｔｏｆｃｏ璐ｔｎｌｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙａｄｏｐｔ．ｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆ—ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉＵｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ（ＣＦｓＴ）ａｒｃｈｂ谢ｇｅ．１１１ｅｓ如ｔｙｃｏｎｔｍｌｏｆｅａｃｈｌｉｎｋｏｆｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｓｙｓ・ｔｅｍ诵Ｕｂｅｃｏｍｅｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｆｔ１１ｅＣ跚ａｒｃｈ妯ｄｇｅ．Ｉｎ山ｉｓｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄｏｎａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘ锄－ｐｌｅ，ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌｓｄｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄ锄ａｌｙ跹ｔＩｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆｅａｃｈｌｉｎｋｉｎｔ｝ｌｅｓｙｓｔｅｍ，粕ｄｔｈｅｓａｆｅｔｙ０ｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ蛐ｄａｎａｌｙｓｉｓｐ】［ｏｃｅｓｓｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄａｓ疑《毛ｒｅｎｃｅｆｂｆｔｈｅｓｉＩＩｌｉｌａｒｂｒｉｄｇｅｃｏ璐ｔｒｕｃｔｉｏｎ．１【ｅｙ—ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅｎｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅａｒｃｈｂｒｉｄｇｅ；ｍｔａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｓａｆｅｔｙｃｏｎｔｍｌ；ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎａｌｙｓｉｓⅧ言錾器簇主嚣篙熟羹詈萋转体施工法在钢管混凝土拱桥中应用较多，其体施工保守转速；李延强等［８３以同时采用平转和竖主要施工工艺是将主拱圈沿跨中对称分割，分别由转施工的某一钢管混凝土拱桥，确定了竖转、平转临时支架或吊装设备拼装成半拱，其后通过拱脚处力系，并对其进行精确的力学计算；籍建云、李克预先设置的转动装置进行转动移位至设计线形占、胡东等阻１１３对钢管混凝土拱桥竖向转体施工进‘位置卜６１。‘行了施工控制研究及仿真分析；张相玺，：１对同步转现阶段针对钢管混凝土转体施工技术的研究体桥施工阶段梁体应力及变形监测进行了研究。有很多。韦有波＂１在西溪河大桥转体施工过程中从现有研究成果可以看出，在钢管混凝土拱桥重点研究拱脚局部钢板的屈曲，采用有限元建模分转体施工中，施工控制起关键作用。本文以某一中——石磊磊Ｉｉ＝ｉｊ＿一承式钢管混凝土拱桥为依托，通过建立有限元模型—差全要旱：主璧三ｔ卿篝吁堕逛耍兰眇§鎏阜盟照翌璺竺Ｑ来研究其转体施工中各环节的受力情况，进而指导作者简介：柳明佳（１９７８一），男，高级工程师，主要从事桥梁工程施工’……：。～～…………．。。一一一一及技术研究。施工，侏让施工安全。５０铁道建笳技术ＲＡ『ＬＩ，怕ｙＣＯＮＳ丁开ＵＣ丁『０～佑Ｃｆ＿ｆ￣０￡－０Ｇｙ２口，７ｒＴ０Ｊ万方数据２桥梁概况本文所选取的钢管混凝土拱桥为中承式拱桥，全桥跨径１００ｍ，桥梁宽度为１６ｍ。拱肋为二次抛物线线形，拱桥两个拱肋起拱点标高为７５ｍ，桥梁计算矢高为２５—ｍ，拱轴线方程为：ｙ＝１０００．１（ｚ一５０）２。全桥共计有１１个吊杆，吊杆间距为６ｍ；全桥有２根立柱，拱肋间的横梁为２根，肋间横梁与立柱横梁间距７ｍ。本桥桥面板为钢筋混凝土空心预制板。主拱肋横截面为哑铃型，两钢管直径为ｌｍ，中心距离为１．４ｍ，腹板间隔５０ｃｍ，拱肋材料采用Ｑ３４５ｑｃ钢材，主拱肋和腹板内泵送Ｃ５０微膨胀混凝土。该桥在选择施工方案时综合考虑各方面因素，最终选用转体施工作为施工方案。图ｌ、图２分别为桥型布置图和拱肋断面图。图１桥型布置（单位：ｃｍ）Ｚ图２拱肋断面（单位：ｃｍ）３转体施工方案转体施工的主要施工工序：在桥体建成之后，通过转盘使桥体转动从而合龙成桥，这就称之为转体施工。在建设桥体时，要先搭设简易支架，然后在支架上搭设预制好的桥梁上部结构。上、下转盘应置于桥台某一合适的标高处，在转盘中央分别设铁道建筑技术ＲＡＩＬＷ酬ｃｏＮｓＴＲＵｃＴｔｏＮＴＥｃＨＮｏＬｏＧＹ置普通钢板、不锈钢板、润滑剂、聚四氟乙烯和橡胶板，保证施工时顺利转体。在桥梁上部结构施工完成后，将下部支撑模架拆除，使得桥梁结构的重心落在转盘重心上，从而形成以上部结构、背墙、上盘、临时索塔为一个完整的转动体系。在上述工作完成后，就可以利用驱动装置来实现桥梁的转体。如图３所示，搭设临时钢管索塔将背索和扣索进行连接，为增加钢管索塔和背墙的牢固性，在背墙顶预留钢筋与钢管底进行焊接固定。图３索塔示意拱桥在转体施工时要将桥梁上部结构的重心集中在转盘的重心上。为了保证这一点，就要张拉背索和扣索使整个结构形成一个完整的转动体系。张拉背索和扣索还可以保证结构的安全和稳定，保证结构不会出现过大的位移。在拆除模架后，由于桥体自身重力的作用，会发生一定的变形，这时就需要测量下挠数值，重新选取拱顶标高值。在形成转动结构体系过程中，注意监测各个位置的变位，如果１２～２４ｈ后没有出现异常情况，就可以进行转体施工。图４为转动体系整体构造示意图。背索塔顶张拉端锚板拱顶合龙段２０１７００）图４转动体系５１万方数据４转体过程模拟分析４．１建立转体体系施工有限元模型全桥基本采用ＭＩＤＡＳ／ｃｉｖｉｌ２０１２梁单元结构来建立模型，只有扣索和背索为桁架单元结构。如图５所示，本模型中仅考虑自重作用下转体体系各部件的受力情况和稳定性。图５…ＭＩＤＡＳ／Ｃ有限元模型４．２临时塔架受力分析（１）塔架应力：根据Ｍｉｄａｓ的计算分析，发现应力最大处出现在索塔底，如应力云图６所示，其应力值为１１１ＭＰａ。《钢管混凝土拱桥技术规范》（ＧＢ５０９２３——２０１３）规定，Ｑ３４５钢材在壁厚度为１６３５Ｉ舢之间时，设计屈服强度值为２６０ＭＰａ，符合要求。錾雾《渣Ｚ三艮、、Ｓ２ｌｆ豫袋独函矗、薹Ｎ雾锚削＆符霞冀、、咂Ｚ《ｐ≯耄霪耄羹蓦Ｉ鋈图６钢管索塔应力云图（２）塔架位移：根据Ｍｉｄａｓ计算分析，位移最大的位置处于索塔的顶点处，最大位移值为１．７ｃｍ。因为在施工时是分级张拉的，而Ｍｉｄ鹪是按一次性张拉到位的，所以Ｍｉｄａｓ得到的结果要比实际施工时的挠度值偏大。但是对于位移最大处，即索塔顶点处要进行位移观测，避免施工时此处的位移过大。钢管索塔位移如图７所示。图７钢管索塔位移４．３扣索、背索索力计算（１）扣索：拱肋在合龙时自身具有一定的顶推力，而扣索的作用就是平衡掉这个顶推力，所以扣索的作用还是十分明显的。扣索的拉力经过Ｍｉｄａｓ计算得出，最大为４１６ｋＮ，远小于设计值１４０１ｋＮ。（２）背索：根据Ｍｉｄａｓ的计算分析，得出最大背索索力３８２９ｋＮ，背索的拉杆设计值是８４０７ｋＮ，计算得出安全系数是２．２。背索拉力图如图８所示。图８背索拉力ＰｏＳＴ．ＰＲｏＣＥＳＳＯＲ．ｒＲＹＳＳＦｌＲＣＥＲ蹙拉只蹙压雕麟懿懑■…ⅢＩ％３Ｉ篙ｊ善篙；一黑鉴般１４２４６５ｅ＋００２蠹鞋；ｑ“６０Ｅ＋啪ｌｃＢ：转俸薪或Ｍ＾Ｘ４：７０ＭＩＮ：４２７２丈件转惟袍工幔型堆旺ｋＮ上期０９，０８，２０３；叠张４．４转体施工中半跨拱肋的受力分析弯矩如图９所示，弯矩最大值出现在距本桥起拱点约１３．８７ｍ的位置，其值为３９１ｋＮ・ｍ；在悬臂端最小，其值为一１０３ｋＮ・ｍ。轴力如下图１０所示，压力的最小值６２８ｋＮ出现于拱顶，压力的最大值９１１ｋＮ出现在拱脚。在拱桥立柱的位置处发生了轴力突变，此处的轴力变化５２铁道建翁技术ＲＡ『Ｌ¨伪ｙＣ０￣Ｓ丁开ＵＣ丁『０Ｎ托－ｃＨＮＯＬＯＧｙ２ＤＴ７仃０Ｊ您Ｒ一一∞∞∞Ⅻ鲫一珏一．㈣呻㈣吡帅呲呲雌鬻慧蘸黧徽●■■■—■■坐』。口万方数据・桥粱工程・量为８．８４ｋＮ；在拱间横梁的位置处也发生了轴力突变，此处的轴力变化量为４１．８８ｋＮ；拱肋Ｋ型撑轴力值突变为１７．３ｋＮ。，＿尸＼ｌ一一ＪＪｌ－弯矩Ｉ■●。●＼■＿／■、／ｌ■ｋ■■…●—．●●＿－ｌ●Ｉ●●。。■：－、：－、－。Ｌ■●｛曼＿ｌ１５２０２５３０３５４０４５沿桥纵向／ｍ半跨拱肋弯矩图１０拱肋轴力如半跨顶、底缘应力值图１１所示，拱顶最大的压应力为１４．４ＭＰａ。在拱肋的变截面处出现了应力突变，底缘最大应力位于拱间横梁处，最大拉力值为０．９５９ＭＰａ，最大压应力７．５８ＭＰａ。一１５—１４—１３一１２一ｌｌ一一１０墨一９妄一８嘤一７—６—５—４—３—８—６矗一４享一３案创一２一ｌ０ｌ——Ｊ一・砬力Ｉ一：．＾一｜｝、｝ｉ●和Ｌ—ｌ一，…Ｖｌ（）５１（Ｊ５２【）２５３０３５４（）４５５（）ｊｊ撤桥向１１１ｂ拱肋底缘图１１拱肋应力值根据图１２可得，在扣索和背索全部张拉结束后，竖向最大位移为５．２ｍｍ。根据计算分析，可以得出在转体施工过程中拱肋结构安伞的结论．：§纵桥向ｍ图１２半跨拱肋ｚ方向位移４．５转动体系稳定性分析图１３为桥体在白重荷载作用下的一阶屈曲模态图，经过分析计算可以得到稳定安全系数为１４７．１；图１４为桥体在自重荷载作用下的二阶屈曲模态图，经过分析计算可以得出稳定安全系数为１４７．５，进而可知桥体在转动时结构稳定可靠。铁道建箝技术Ｆ汹ＪＬＷＡｙＣｏＮＳ丁ＲＵＣ订０Ｎ丁联、ＨＮ（）ＬＯＧｙ２０Ｔ７ｆＴＯＪ——：多，＼、‘§译。歹图１３转动失稳一阶屈曲５３０Ｏ０Ｏ０ＯＯＯＯＯＯ∞＂如＂加¨ｍ，ｏｍ０９●图５０万方数据・桥梁工程・图１４转动失稳二阶屈曲５结论（１）采用ＭＩＤＡｓ／Ｃｉｖｉｌ２０１２有限元软件建立转动体系模型，塔架出现的最大应力为１１１ＭＰａ，塔顶部最大位移为１．７ｃｍ；拉杆出现最大的索力值为４１６ＭＰａ；出现背索的最大索力值为３８２９ＭＰａ，在转体施工过程中拱肋的变形值、内力及应力很小。（２）结构转动时稳定系数经计算结果偏保守，满足要求。从上述的计算分析结果来看，该桥转体施工体系理论上是安全可靠的。参考文献［１］韩晓毅．浅谈转体施工的发展和应用［Ｊ］．科技资讯，２０１１（２２）：４６．［２］田仲初，彭涛，马凤杰，等．佛山东平大桥施工监控的—关键技术［Ｊ］．中外公路，２００７（３）：８４８７．［３］“”高吉才．提篮式钢管混凝土拱桥竖向转体施工—［Ｊ］．世界桥梁，２００２（３）：３２３４．［４］邵明春．钢管混凝土拱桥转体施工技术［Ｊ］．桥梁建—设，２００３（Ｓ１）：３１３３．［５］吴进明．钢管混凝土拱桥施工技术研究及有限元分析［Ｄ］．上海：同济大学，２００６．［６］王成．钢管混凝土柔性系杆拱桥转体法施工技术［Ｊ］．—铁道标准设计，２００６（４）：３８４１．［７］韦有波．西溪河特大跨度钢管混凝土拱桥转体施工控制［Ｊ］．铁道建筑，２０１５（１２）：１５一１８．［８］李延强，路大鹏，安蕊梅．系杆钢管混凝土拱桥转体施—工［Ｊ］．铁道建筑技术，２００１（５）：１３１５．［９］籍建云．钢管混凝土拱桥竖向转体施工控制仿真分析［Ｄ］．西安：长安大学，２叭４．［１０］李克占．钢管混凝土拱桥转体施工控制研究［Ｄ］．西安：长安大学，２０１４．［１１］胡东．钢管混凝土提篮拱桥竖向转体施工控制［Ｊ］．—交通标准化，２０１２（２０）：７８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