新建铁路四线钢箱系杆拱桥施工支架仿真分析

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摘要：新建铁路跨济兖公路特大桥，选用两跨96 m下承式四线钢箱系杆拱桥，采用支架原位拼装施工。为保证施工支架的稳定性并控制支架变形，在施工过程中进行了实时施工支架仿真分析。本文采用大型通用有限元软件ANsYs建立了有限元仿真模型，模拟桥梁施工过程中支架的受力和变形状况，分析了各工况下支架的变形和稳定性。通过实际观测数据的比较分析，验证了施工支架的可行性和合理性。

大跨度桥梁的结构体系复杂，施工过程中体系转换次数多，使得传统的分析方法无法准确地描述结构施工过程中的状态。采用桥梁结构仿真分析则能真实地模拟桥梁施工各工况下的几何模型，边界条件，以及由温度变化，支座沉降等产生的荷载，为桥梁施工控制提供准确的数据。本文采用仿真分析方法研究钢箱系杆拱桥支架法原位拼装施工过程。

跨济兖公路特大桥中的钢箱系杆拱桥是北京至上海新建铁路中的一座重要桥梁。四线96 m的下承式简支钢箱系杆拱桥在国内是首次采用(一次建成四线桥)，中间双线为高速正线，两边为联络线。上部结构分为钢箱拱、钢箱梁、拱肋横撑、吊杆索及锚点构造、两端支座、两端横向限位装置及现浇混凝土桥面板。主拱肋理论拱轴线采用二次抛物线，实际拱轴线以折代曲，两折线交点为吊索中心线与理论拱轴线交点，折线间采川圊瓠过渡。主拱跨径96 m，矢高19 2 m，矢跨比l 5。两主拱问中心距ll 68 m．两拱胁通过5道锕箱横撑连接．吊杆索水平投影问正为5 m。拱肋采用箱形截面，箱宽i 2 m，高度由跨中处2 8 m变化至拱脚处5 5 m。钢箱粱长98 m．采用粱高3 m等截面单箱9室截面，顶宽25 7 m，底宽22 5 m．桥面采用正交异性板构造。该桥位于济南市讴南，跨越济充公路和高连公路的匝道及辅道。由于桥下净空较小，所以本桥采用支架原位拼装施工方案。铜箱粱在支架原位拼装架设．钢拱肋在钢箱粱上拼装架设。

钢箱系杆拱采用满布钢管支架原位拼装旄工。在公路路面及临时地基上搭设支集，吊装钢箱粱．之后在钢箱粱上搭设拱肋支架。钢箱粱临时支柱采用标准钢管，横桥向分为左右两组．每组4根，每组钢管横桥向采用20a槽钢交卫连接，钢管主架支撑干经过处理的地基上。下部钢箱桨安装完成后．在钢籀粱上搭设拱肋吊装支架。每半跨单片拱肋下设5个临时支柱．1临时支柱采用枷30 mm×10 mm螺旋钢管．每个临时支柱铡管纵横向采用20a槽钢连接。临时支柱赢部设置垫座．顶端安装可调拖撑，该町侧拖撑既可精确漏整高程，亦可作为卸藩设备。支架布置保证两个原则：①满足结构要求，满足拱桥的施工线形要求．且在施工时变形不能超过规范要求；@精足施工安全要求，必须对施工稳定性进行验算。钢箱粱支架断面图如图l所示。

考虑到桥面钢箱粱宽跨比较大．地基束进行预压．基础不均匀沉降大，桥梁空间结{旬行为较为宪出。为了能够全面、准确地掌握支架结柑的内力和变形状况。采用^NsYs对全桥施工过程进行空间结构仿真分析。全桥各构件均按实际工程中的截面形式模拟．考虑纵向板肋、u肋、横隔拉、膜板及腹板加劲肋．桥面钢箱粱和拱肋箱粱结构采用三维板单元shell63模拟，用实常数输入法输^各实际截面的板厚。支架采用管单元p·卵16模拟．基础和地基采用宴体单元s出d45模拟。施工支颦与桥面系和拱肋的连接通过耦台相同位置的节点来模拟，支架与基础l钢箱梁和拱肋的连接均采用铰接进行模拟。全桥仿直模型共划分为145702个单元和13I630个节点

跨济竞公路特大桥中的钢箱系杆拱桥呆用支架原位拼装法施_I：桥面钢箱粱的拼装分为17个阶段，拱肋的拼装分为6个阶段。桥粱施工过程中比较重要的控制参散是地基及支架的变形、稳定系数和失稳状态。在施工过程中．支架各支柱的应力和位移随施rl=进程不断发生变化．因此仿真分析需要得到各个施工阶段下支架的应力、位移．看是否满足强度及稳定性要求。考虑支架与地基的不1日连接方式，建立两种模型：一种是钢箱檗与支架一起建模，支架底部铰接．另一种是钢箱梁、支架与地基共同建模。通过比较分析得出三者搀同建模较为合理，井得到可能的蛊不利状态，在最不利状态下利斤I强度理论对立槊进行强度、剐度及稳定性验算。

地基的弹性变形使钢箱粱支架各支柱发生内力重分布，支架各支柱的受力更加合理。在桥面的拼装过程中．支架应力曲线变化不大。钢箱梁支架的最大应力从第四工况后变大，这是由于支架从第四排开始支柱由8根变为了6根，导致支架变形增大。第四工况以后，支柱最大压应力变化不大，在22 MPa左右变化，斜撑的最大应力在30 MPa左右。在拱肋的架设过程中，由于拱肋支架支撑于钢箱梁上，拱肋的重量通过拱肋支架传递给钢箱梁的腹板，所以支柱压应力有明显的增大，最大值通常发生在钢箱梁腹板对应的支柱上。且该支柱与横梁的连接处承受较大的轴力和弯矩的联合作用，因此支柱应力较大，支架支柱实为压弯构件。钢箱梁支架支柱和斜撑的最大压应力发生在拱肋合龙前一阶段，最大值44．6 MPa，小于容许抗压强度140×1．3=182 MPa(1．3为临时结构提高系数)，满足规范要求。由仿真分析结果可知，由于仿真分析模型中钢支架的每一根杆件是作为空间杆单元来处理的，因而可以方便地求得每一根杆件的内力，及内力最大杆件的具体位置。

在相同的模型与荷载条件下，钢箱梁支架与钢箱梁的边界条件由固接变为铰接将降低支架整体稳定安全系数，后者约为前者的90％，且后者结构变形大于前者。按照第二类稳定分析，在稳定分析中通过杆件轴力来考虑几何非线性对结构变形的影响，由于杆件应力较低，几何非线性对结构整体稳定性的影响并不大。图6给出了钢箱梁支架一阶失稳模态下的稳定系数随着施工工况的变化情况，全桥施工阶段的稳定性系数在拱肋合龙前最小，为9．26>4。由各工况下的一阶屈曲模态可知，支架最先失稳的部位是支架的斜撑，支架支柱的稳定性高于连接系的稳定性，说明钢箱梁支架设计合理。同时由计算可知：全桥架设过程中的稳定性是有保证的。