第29卷第3期 2013年6月 结构工程师 Vol_29.No.3 Structural Engineers Jun.2013 外倾式拱桥吊杆及临时支架施工顺序优化 苏庆田 , 李 伟 张立鹏 刘元炜 (1.同济大学桥梁工程系,上海200092,2.中交三公局,北京100107) 摘 要 江西省南昌市艾溪湖大桥主桥为外倾式拱肋的系杆拱桥。连接拱肋和主梁的吊杆和支撑拱肋 的临时支架有多种施工顺序。采用空间有限元模型详细计算分析了不同吊杆张拉顺序以及拱肋临时支 架拆除顺序下的拱桥结构受力情况,分析了吊杆和临时支架不同施工顺序对结构受力的影响情况,得到 了较优的施X-方法,对此类桥梁施工具有较大的参考价值。 关键词拱桥,吊杆,拱肋支架,有限元 Construction Sequence Optimization in Suspenders and Temporary Supports of an Arch Bridge with Outward Inclined Ribs SU Qingtian - LI Wei。ZHANG Lipeng LIU Yuanwei (1.Department of Bridge Engineering,Ton ̄i University,Shanghai 200092,China; 2.The Third Engineering Bureau of China Highway,Bering 100107,China) Abstract A steel tied arch bridge with outward inclined ribs,the Aixihu Bridge,was constucted in Nan— rchang City,Jiangxi Province.Various construction sequences can be used for the suspenders that connect the main girder and the arch rib,and the temporary support that supports the arch rib.Mechanical behaviors of the arch bridge with different constuctiron sequences and temporary suppo ̄s were calculated by using a spatial inite elfement mode1.The influence of different construction sequences and temporary support were analyzed. A relatively optimum construction method was provided,which can be as a reference to this type of bridge. Keywords arch bridge,suspender,arch rib temporary support,finite element 的面外稳定性能差。外倾式拱肋拱桥的受力性能 1 引 言 随着我国交通事业的迅猛发展,近些年修建了 大量的桥梁。桥梁除了满足结构安全、经济适用 比较复杂,特别是外倾式拱肋的受力性能受施工因 素影响较大。现有的几座大跨度外倾式拱肋拱桥 中,除了南宁大桥采用了缆索扣挂体系施工外 J, 其他几座桥梁均采用了支架施工方法。在支架施 工方法中,先搭设支架平台安装主梁,再搭设支架 安装拱肋,待拱肋合拢后再张拉吊杆和拆除支架。 外,人们越来越重视桥梁艺术和美学,一大批结构 形式新颖、造型别致的桥梁相继建成 。J。其中外 倾式拱肋的拱桥(又称蝶形拱桥)就是有别于传统 形式拱桥的一种新型拱桥 J,因其美观新颖的桥 梁形式多被应用于城市桥梁中。外倾式拱肋的拱 实际操作中吊杆的张拉顺序以及支架的拆除顺序 可以有多种,不同的施工顺序都会对拱桥结构受力 产生不同的影响,有时会成为控制桥梁受力的关键 条件 J。目前国内外对外倾式拱桥的整体受力性 能和钢结构的稳定分析进行了大量的研究,对于施 工过程安全和稳定的研究报道较少。 桥由于其拱肋向外倾斜,两个拱肋横桥向间距在拱 脚处最小而在拱顶处最大,在两个拱肋间一般不设 置横向支撑,因此这种拱肋比设置横向支撑的拱肋 收稿日期:2012—06—12 联系作者。Email:sqt@tongji.edu.en Structural Engineers Vo1.29,No.3 Engineering Construction 本文结合江西省南昌市艾溪湖大桥主桥,根据 各施工阶段情况提出了不同的吊杆张拉顺序和拱 为车行道钢箱、两侧为人行道钢箱,钢箱梁在边跨 和跨跨中宽度分别为41 m和73 in,主跨部分行车 肋支架拆除顺序,计算分析了不同的吊杆张拉顺序 和拱肋支架拆除顺序对结构的受力影响,提出了合 理的吊杆张拉顺序和拱肋支架的拆除顺序。 道钢箱与人行道钢箱通过镂空梁连接。两侧的拱 肋竖向为叠拱形式,下层主拱肋为受力拱,上层副 拱肋为装饰拱,单侧拱平面向外倾斜比例1:3,拱 肋为矩形钢箱结构,副拱肋和主拱肋在竖向平面内 投影高度分别为46 in和39 in。钢拱肋通过每侧二 排吊杆与行车道钢箱梁和人行道钢箱梁相连,总体 形成四索面结构。在主跨车行道钢梁内布置4组 用于平衡拱脚水平推力的系杆,结构总体布置如图 1所示。 2工程概况 艾溪湖大桥位于江西省南昌市,主桥为30 In +108 nl+30 133三跨连续外倾式四索面下承式钢 箱系杆拱桥。其主梁横向由三个钢箱组成,即中间 圈 一 —— 一 f 霜 g 0 鲁 I £ ~ 鲎 3000 ’,~-J~ ll1 800 j3000 I㈣ I(a)平面图 (b)立面图 (c)侧面图 (d)箱梁截面图 图1结构布置图(单位:cm) Fig.1 Structural layout(Unit:cm) 全桥吊杆共有92根。其中内吊杆为50根, 连接钢拱肋与车行道钢主梁;外吊杆为42根,连 如图2所示。 接钢拱肋与人行道箱梁。每边内吊杆从中间到两 边对称编号依次为N1,N2,…,N13,每边外吊杆 从中间到两边对称编号依次为W1,W2,…, w1 1。本桥按满堂支架、先梁后拱的方法施工,在 完成主梁施工后,在梁上搭设拱肋支架来安装各 段拱肋和吊杆。全桥主拱肋支架共有2O个,每边 3计算方法 为了模拟拱肋和拱肋支架在施工过程中的受 力特性,计算模型采用空间杆系有限元程序对全桥 进行模拟。有限元模型中主拱、副拱、主梁、人行道 箱梁、拱间联系、拱肋支架和横梁刚臂采用空间梁 单元模拟;吊杆以及水平系杆采用空间杆单元模 主拱支架从中间到两边对称编号依次为z1,z2, z3,z4,z5,副拱肋支架共有8个,每边副拱支架 从中间到两边对称编号依次为F1,F2。支架断 面有两种类型:z1~z4,F1,F2支架采用如图2 (C)所示截面,编号为T1;Z5支架采用如图2(d) 所示截面,编号为 。拱肋支架及断面详细布置 拟;在按照实际支座位置约束的同时,梁底支架采 用只可受压的非线性弹簧单元进行模拟;并利用单 元生死技术模拟全桥施工过程。全桥有限元模型 及拱肋支架模型分别见图3和图4。 ・工程施工・ 结构工程师第29卷第3期 Z】 Z2 Z3 Z4 Z5Z5 Z4 Z3 Z2 Zl (a)支架平面图 Fl、F2 Z1、Z2、Z3、Z4 (b)支架立面图 断面 (c)其他支架断面图 (d)Z5支架断面图 1 (e)拱肋底部截面图 图2拱肋支架布置图(单位:mm) Fig.2 Arch rib temporary support layout(Unit:mm) 除顺序,根据全桥拟定的总体施工顺序,对以下两 种施工方案进行了计算分析。 方案一:①支架拼装桥面钢箱梁,并搭建拱肋 支架,安装拱肋就位;②拱肋焊接合拢,张拉系杆, 安装并第一次张拉内吊杆力至225 kN;③拆除拱 肋支架;④安装并第一次张拉外吊杆,第二次张拉 内吊杆至指定力;⑤拆除钢箱梁支架。 方案二:①支架拼装桥面钢箱梁,并搭建拱肋 图3全桥有限元模型 Fig.3 FE model of the bridge 支架,安装拱肋就位;②拱肋焊接合拢,张拉系杆; ③拆除拱肋支架;④安装并张拉内外吊杆至指定 力;⑤拆除钢箱梁支架。 4.2静力分析 通过对上述两种施工方案的计算分析,得到 了全桥各个部位构件的内力,限于篇幅这里给出 了结构受力影响较大构件的受力情况。图5给出 拱肋的内力包络,拱肋支架内力如表1所示。在 图5中横坐标原点位于桥梁纵桥向中心。 由图5可知,两种施工方案对于主拱肋产生 的拱肋轴力和面内弯矩基本相同,而主拱在施工 图4拱肋支架有限元模型 Fig.4 FE model of the arch rib support 方案一产生的最大面外弯矩在拱脚处为 11 651 kN・m,相对于施工方案二最大面外弯矩 也在拱脚处为31 939 kN・m减小了近60%,主要 4 吊杆张拉次数研究 4.1计算工况 是由于在方案二中拱肋为纯裸拱状态,吊杆张拉 力使得拱肋在拱脚产生较大的弯矩,而方案一中 拱肋有一定数量的支撑,使得拱脚的弯矩明显 减少。 为了研究合理的吊杆张拉顺序和拱肋支架拆 Structural Engineers Vo1.29,No.3 Engineering Construction X 104 4 000 2 009 2 oO8 R:2 888 暴888 :j;黜 . 三 000 If 0 3 0h , - 至 . 粉 7嚣 搿 .. 撵 . .一6O.4O.20 O 2O 4O 6O .6O.4O.20 0 20 40 60 6O一40.2O O 20 4O 6O 顺桥向坐标/m (a)主拱肋轴力包络图 顺桥向坐标/m (b)主拱肋面内弯矩包络图 顺桥向坐标,m (C)主拱肋面外弯矩包络图 图5拱肋内力包络图 force envelope diagrams Fig.5 Internal由表1可知,由于施工方案的不同,拱肋支架 的受力也有很大的差别,其主要体现在轴力和纵、 横向弯矩上。如表1所示,两种施工方案下,拱肋 支架的轴力基本相同,而采用施工方案一时支架 面内外弯矩值均较大于方案二的情况。主要是因 为在方案二中,拱肋安装合龙后就拆除了支架,支 架仅承受拱肋的自重,没有参与到后期结构受力 中。综合来说,在保证支架自身安全的情况下2 个方案的支架受力差异影响较小。 表1 拱肋支架内力 Table 1 Internal forees of arch rib temporary supports 施工 支架 包络项 轴力/kN 面内弯矩/ 面外弯矩/ 方案 (kN・m) (kN・m) T1 最大 O 69 113 最小 一656 —58 —21 T2 最大 O O 94 最小 一587 —178 —53 T1 最大 0 25 37 最小 一656 —19 —21 T2 最大 O O 3 最小 一587 —25 —53 4.3稳定分析 由于吊杆张拉完成后,结构以及荷载均相同, 失稳模态也相同,因此以下仅针对两种施工方案 第三个施工步骤完成后结构形式进行稳定分析。 结构的失稳模态如图6所示。 使用施工方案一时,结构的失稳模态主要表现 为跨中横梁的面外失稳,稳定系数约为24.5。而使 用施工方案二时,结构的失稳模态表现为拱肋的横 向面外失稳,稳定系数约为6.6,远低于方案一。 对两种施工方案的内力分析可以看出方案一 较优。虽然方案二减少了吊杆张拉的次数,拱肋支 架的受力相对较小,但是拆除吊杆后的裸拱状态对 于拱肋的安全和稳定都有较大的影响,方案一分两 次张拉吊杆,期间再拆除拱肋支架,更好地加强了 施工的安全性,充分利用了拱肋支架的作用。 : i缸 吐 j 每: ll _、 i {:醚 ◆ l I f l l! I 幸 (a)方案一第一阶失稳模态图 群孵 l§囊; ≮ !f ;; 黼举手 毒 J (b)方案二第一阶失稳模态图 图6结构失稳模态图 Fig.6 Structural instability mode 5拱肋支架拆除顺序研究 5.1计算工况 拱肋支架最高处相距桥面近40 m,距地面近 50 m,拱肋支架的拆除顺序是施工过程中一个重 要的环节。根据上述分析结果,吊杆张拉和支架 拆除的总体顺序采用施工方案一,对于支架拆除 具体细化如下两种顺序:拆除顺序一,按照F1、 F2一z5一z4一z3一z2一z1从内到外的顺序拆除 拱肋支架;拆除顺序二,按照F1、 一z1一z2一 z3一z4一z5从外到内的顺序拆除拱肋支架。 5.2静力分析和稳定分析 经过分析计算,两种拆除顺序下拱肋以及支 架的受力情况如图7和表2所示。 从图7可知,当采用拆除顺序一时,主拱受力 -工程施工・ 结构工程师第29卷第3期 拱跨中出现了较大的负弯矩,面内弯矩达到了2 440 kN・m,相对于第二次张拉吊杆拱肋的受力 有很大的差别。 趋势与第二次张拉吊杆时较为一致;而采用拆除 顺序二,由于最后拆除的支架z5相当于一个弹性 支座,把拱肋分为50 m跨径的两跨连续梁,在主 z 辑 _ _ 一-一ll_l1 246 8O24 OOO0OOOOOOO0O OOOO OOOO O一6 孚4 Z 3 喜2 静.2 —4 一6O.4O.2O O 20 40 60 .60.40—20 0 20 40 60 —60.40.2O O 2O 4O 6O 顺桥向坐标/m (a)主拱肋轴力包络图 顺桥向坐标/m (b)主拱肋面内弯矩包络图 顺桥向坐标/m (c)主拱肋面外弯矩包络图 图7拱肋内力包络图 Fig.7 Internal force envelope diagrams 表2 Table 2 拱肋支架内力 Internal forces of arch rib temporary supports 因此在两种顺序都能保证施工安全的情况下,建 议采用从中间到两边的支架拆除顺序。 l一l十一 ^镕 .{== _— 一 心|晦 一毛{ }1 一最大 ^ 最小 O 拆除 顺序 面内弯矩 面外弯矩 支架 包络项 轴力/kN /(kNT1 6 吊杆张拉顺序研究 6.1计算工况 一 最大 最小 最大 最小 最大 ・m) /(kN・m) 32 —27 1 224 O T2 T1 T2 也 擎^ 2 015 、 —一一 0 0 O 966 0 0 18 —163 O O 210 —28 由于系杆拱桥为多次超静定结构,按照不同 的次序张拉吊杆相当于给结构施加了不同的荷 载,所以最终吊杆和拱肋的内力是不同的,因此需 要选择相对安全稳定的张拉顺序。本文在遵循施 工方案一和支架拆除顺序一的基础上,在第二次 张拉吊杆时考虑了从中间向两边对称张拉(张拉 顺序一)和从两边向中问对称张拉(张拉顺序二) 两种方案进行比较。 6.2静力分析和稳定分析 经过分析计算,两种吊杆张拉顺序下拱肋的 受力情况如图8所示。 0 278 —1O6 168 -364 嚣;器 二一:一~ 最小 拉 l 靴L一1~ 上 二 150 一由于支架开始和结束时的整个桥梁的受力状 态是相同的,表2的数值取为从顺序一、二分别拆 除z5、z1后到拆除z2、z4后的内力包络值。由 于T2类型的支架在拆除顺序一中表2选取数据 = 之前已经拆除,故其内力值均为0。从表2可以 看出,顺序二下的轴力和横桥向弯矩均较顺序二 的数值要大。 由实际的施工步骤可以得出,对于拆除顺序 一从图8可以看出,第二次吊杆张拉采用两种 和顺序二,两种拱肋支架施工顺序的最不利失 张拉顺序时主拱的轴力和面外弯矩差别不大,而 主拱的面内弯矩差别较大。主拱面内弯矩的分布 形式受吊杆张拉顺序的影响较大,不同的吊杆张 拉顺序产生不同的弯矩分布,总的来看,张拉顺序 一稳工况分别为拆除最后一根支架z1和z5时的状 态。二者前三阶失稳模态都表现为拱肋横向的面 外失稳,拆除顺序一和顺序二的稳定系数分别为 24.4和50.4,两种拆除顺序在施工过程中均具有 良好的稳定性。另外,由于拱肋支架具有较大的 截面刚度,前三阶均未出现拱肋支架的失稳模态, 结构稳定可靠。 的弯矩相对顺序二而言较为均匀。此外主拱面 内弯矩大小在不同吊杆张拉顺序下也不同,其中 张拉顺序一即从中间向两边对称张拉吊杆时拱肋 最大面内弯矩在拱脚处,最大弯矩为 4 367 kN・m,张拉顺序二即从两边向中间对称张 总体而言,两种施工顺序在结构内力和稳定 分析中安全性能良好,施工顺序二在拱肋支架受 力和稳定分析中较为安全,但是所产生的拱肋受 力变化模式与第二次张拉后拱肋受力差别较大, 拉吊杆时拱肋最大面内弯矩也在拱脚处,最大弯 矩为9 359 kN・m,可以看出张拉顺序一其弯矩 值较顺序二减小了50%以上。 Structural Engineers Vo1.29,No.3 Engineering Constuction rz 暴 之4 培 .6O.40.20 0 20 40 60 l囊 .6O.40.2O O 2O 4O 60 一6O.4O.20 0 20 40 60 O 吣 ∞∞∞∞∞ O O O O O O 顺桥向坐标/m (a)主拱肋轴力包络图 顺桥向坐标,m (b)主拱肋面内弯矩包络图 顺桥向坐标/m (c)主拱肋面外弯矩包络图 图8拱肋内力包络图 Fig.8 Internal force envelope diagrams 时的实际状态。吊杆张拉顺序一(从中到边的张拉 黧煮至 拉顺序)失稳模态主要表现为跨中横梁的面外失 :. 。, 登 詈 銎 三‘ ! 曩 稳,最低稳定系数为23.2。虽然不同的张拉顺序产 张拉方式相比而言都较优,安全性和稳定性更高。 7结论 通过本文的计算分析得到如下结论: (1)对于外倾式系杆拱桥,吊杆张拉顺序和拱 (2)在拱肋支架拆除顺序上,尽管从两边到 中间的拆除顺序使得拱肋支架的受力和稳定性能 肋受力模式比后者变化大,因此在两种顺序都能 保证施工安全的情况下,建议采用从中间到两边 的支架拆除顺序。参考文献 of elastic stability of Nanning Bridge[J]・B dg Con- s刘iftr云u Nctgi,’og钱nz 振, 2[ 0东J0]7.,’程3,( ̄ 5…N ) :天24津-26大,4沽5桥.(i钢n 桥Chi面ne铺se 的设 … 。 …~ 。20~0一5,3 … . 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