吴东兴广西交科集团有限公司

摘 要：为研究大跨度刚构拱桥施工阶段体系不断转换对结构的受力影响，以福厦高速铁路特大桥为工程背景，基于大跨度桥梁施工理论，采用倒拆-正装迭代分析法对连续刚构拱桥进行施工阶段仿真分析，通过调整拱肋钢管混凝土的浇筑顺序和吊杆张拉顺序，优化拱肋上下弦拱脚截面应力，研究优化后施工过程中结构应力和位移历程。结果表明，自下而上对称浇筑管内混凝土的工序效果更好，优化后拱肋钢管和混凝土的压应力存储能力有所提高；由跨中到拱脚依次对称张拉的顺序安全性能最好，而施工优化后连续刚构拱桥施工过程的结构应力及位移能够满足规范要求。

关键词：施工优化;梁拱组合桥;吊杆张拉;管内混凝土;

作者简介：吴东兴(1970—),男，广西壮族自治区南宁人，本科，高级工程师，主要从事公路建设管理工作;

伴随经济社会不断发展，人民出行方式发生了很大的改变，尤其以高速铁路的发展最为迅速，在高速铁路建设中大多为桥梁工程，而连续刚构拱桥又广泛应用于高速铁路桥梁建设[1,2]。但因其结构复杂导致施工期间受到的影响因素多，其中拱肋钢管混凝土浇筑工序和吊杆张拉顺序对结构施工过程中的受力影响很大[3,4]。因此基于大跨度桥梁施工理论，通过调整拱肋钢管混凝土的浇筑顺序和吊杆张拉顺序[5,6],优化拱肋上下弦拱脚截面应力，研究优化后施工过程中结构应力和位移历程，为此种桥型的施工设计提供优化方案。

1工程概况

福厦高铁线路特大桥为连续刚构-拱组合桥桥跨布置为(109+220+109)m, 全长为457.1 m。拱肋垂直布置，支座中心至梁端0.85 m。系梁横截面采用单箱双室变高截面，边支点断面高4.0 m, 中支点断面高7.5 m, 采用C55混凝土。

2施工优化设计2.1 拱肋钢管混凝土浇筑优化设计

基于存储应力能够减小施工后续过程中应力的准则，提出两种钢管混凝土浇筑工序，对比分析不同工序下拱弦拱脚应力。两种工序如表1所示，钢管混凝土弦杆编号如图1所示。

表1 钢管混凝土浇筑工序 导出到EXCEL

施工阶段

浇筑工序

工序一

工序二

CS1

空钢管拱肋合拢拱脚固结

空钢管拱肋合拢拱脚固结

CS2

浇筑钢管混凝土2

浇筑钢管混凝土1

CS3

浇筑钢管混凝土4

浇筑钢管混凝土3

CS4

浇筑钢管混凝土1

浇筑钢管混凝土2

CS5

浇筑钢管混凝土3

浇筑钢管混凝土4

CS6

钢管拱肋与管内

混凝土形成整体

钢管拱肋与管内

混凝土形成整体

图1 钢管混凝土弦杆编号 下载原图

以不同工序下拱肋上下弦拱脚应力截面为主要应力控制截面，得出不同工序下相应拱脚单元截面位置的应力值，变化结果如图2和图3所示。

由图2和图3可知，在CS6施工阶段，浇筑工序一中的拱脚处钢管截面上缘的压应力大于浇筑工序二中的拱脚处钢管上缘的压应力。而在CS4施工阶段，工序一中拱脚处混凝土截面上缘压应力同样大于工序二中拱脚处混凝土截面上缘压应力。综合可知，通过工序二的优化后拱肋钢管和混凝土的压应力存储能力有所提高。

图2 不同浇筑工序下拱脚钢管截面上下缘应力 下载原图

图3 不同浇筑工序下拱脚混凝土截面上下缘应力 下载原图

2.2 吊杆张拉优化设计

由于吊杆的非对称张拉会导致拱肋侧向失稳以及吊杆内力不均匀，不益于拱肋结构的受力，因此文章仅针对吊杆对称张拉作为研究。考虑拱肋结构的对称性，吊杆也相对拱肋纵向对称编号，吊杆布置图图4所示，吊杆张拉方案如下：

方案1:从跨中到拱脚对称张拉8-1-4-6-2-5-7-3;

方案2:从拱脚到跨中对称张拉1-8-4-2-6-5-3-7;

方案3:从跨中到拱脚顺序张拉8-7-6-5-4-3-2-1;

方案4:从拱脚到跨中顺序张拉1-2-3-4-5-6-7-8。

基于成桥阶段模型，采用倒装法确定桥梁施工过程中结构的吊杆内力值，得到各吊杆张拉方案在各施工阶段吊杆内力值。

图4 拱肋吊杆布置图 下载原图

由数据对比分析可知，方案1施工过程中吊杆产生最大内力发生在跨中8#吊杆，内力为6 441 kN,此时结合模型可知吊杆应力为1 257 MPa, 因此可知安全系数为1.48;方案2施工过程吊杆产生最大内力同样发生在跨中8#吊杆，内力为5 921,此时应力为1 139 MPa, 因此可知安全系数为1.63;方案3施工过程吊杆内力变化相对均匀，最大内力发生在跨中相邻7#吊杆处，此时内力为2 767 kN,应力为531.6 MPa, 因此安全系数为3.50;而方案4施工过程吊杆产生最大内力则出现在2号吊杆，内力为5 851 kN,此时应力为1 124 MPa, 因此安全系数为1.65。

综上所述，采用方案3进行吊杆张拉安全性能最好。

3施工过程结构应力及位移历程分析3.1 结构应力分析

由于施工过程中拱顶和拱脚应力控制极为关键，因此主要针对拱肋拱顶及拱脚截面处应力进行研究，得到的计算结果如图5所示。

图5 各施工阶段下拱肋拱脚应力历程图 下载原图

图6 各施工阶段上拱肋拱脚应力历程图 下载原图

图7 各施工阶段下拱肋拱顶应力历程图 下载原图

图8 各施工阶段上拱肋拱顶应力历程图 下载原图

根据图5和图6拱肋拱脚在施工期间的应力历程变化趋势可知，只有在CS7施工阶段下弦的压应力突变(增幅程度达到40 MPa),除此之外拱肋在其他施工阶段中变化趋势较缓和，而在CS14施工阶段随着二期恒载的增加，下拱肋拱脚压应力达到最大值，其中上弦为-112 MPa, 下弦为-145 MPa, 均小于规范要求值。

由图7和图8可知，拱顶下拱肋在CS10施工阶段产生压应力最大，其中上弦为-67.2 MPa, 下弦为-72.7 MPa, 在CS10施工阶段前，由于吊杆张拉顺序的影响，使得下拱肋拱顶压应力呈增大趋势；拱顶上拱肋在CS9施工阶段后压应力开始增加，这是由于完成张拉吊杆后，整个刚构拱桥体系逐渐形成，在CS14施工阶段压应力达到最大值，拱顶上拱肋上下弦分别为-81.1 MPa和-72.9 MPa。

3.2 结构位移分析

针对拱顶以及主梁跨中的位移历程进行分析，得到的计算结果如图9和图10所示。

图9 拱顶竖向位移历程图 下载原图

图10 主梁跨中下挠历程图 下载原图

由图9可知，拱顶在施工过程中的竖向位移改变范围很大，拱顶最大位移为-79.3 mm, 最小位移为-8.68,变化幅度达到了70 mm, 主要缘由是吊杆进行张拉完成后拱肋的内力得到重新分布，使得拱顶位移增幅很大。从图10可知，主梁在施工期间跨中下挠随着吊杆的张拉完毕逐渐从-120.2 mm提升到了-31.6 mm, 因此可看出吊杆作为重要的传力结构将梁拱结合在一起，优化了主梁的线形，提高了结构的安全稳定性。

4结 论

以福厦高速铁路特大桥为工程背景，通过调整拱肋钢管混凝土的浇筑顺序和吊杆张拉顺序，优化拱肋上下弦拱脚截面应力，主要得出如下结论。

(1)以拱脚截面钢管或混凝土应力为控制目标，可知自下而上对称浇筑管内混凝土的效果更好，优化后拱肋钢管和混凝土的压应力存储能力有所提高。

(2)对比四种吊杆张拉方案可知，从跨中到拱脚依次对称张拉吊杆的顺序安全性能最好，能够满足规范所要求的最小安全系数2.5。

(3)针对施工优化后连续刚构拱桥施工过程的结构应力及位移变化进行分析，可知其计算结果皆满足规范要求值。

参考文献

[1] 金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 傅安民.高速铁路大跨度连续刚构拱桥吊杆张拉方案研究[J].铁道标准设计，2022,66(3):82-88.

[3] 王祥国，邓博，杨孟刚.考虑施工阶段的高铁系杆拱桥吊杆张拉优化研究[J].铁道科学与工程学报，2020,17(4):808-814.

[4] 王莉.系杆拱桥吊杆张拉方案优化试验研究[J].铁道建筑，2020,60(1):11-14.

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