九龙江大桥拱肋V构施工过程模拟分析

摘要 九龙江大桥为新月形五跨连续梁拱组合体系，主桥采用刚性梁柔性拱，由左右两幅预应力混凝土变截面连续梁和中间独立的中承式钢管混凝土拱三个受力体系组成。拱肋结构新颖，施工过程受力复杂，本文采用有限元程序对其施工过程进行模拟分析，通过分析得到该结构在施工过程中的受力特性，可为同类结构设计与施工提供参考和借鉴。

关键词 V构；拱肋支架；施工模拟

中图分类号 U445.3 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0010-03

1 概述

1.1 工程概况

九龙江大桥主桥为新月形五跨连续梁拱组合体系桥，跨径组成为40+67+158+67+40=372m，采用刚性梁柔性拱结构，由左右两幅预应力混凝土连续梁和中间独立的中承式钢管混凝土拱三个受力体系组成。主桥立面布置如图1所示。

主桥左右两幅连续梁桥桥间净距3.7m，以便于拱肋从中间穿过。每幅桥宽18.4m。两幅之间通过在主跨跨间的横梁连成一体，再由主、副吊杆悬吊横梁，使三个受力体系共同承担二期恒载和活载。具有副吊杆的中间横梁悬出主梁外1.25m，全宽43m。

1.2 拱肋结构介绍

拱肋由钢筋混凝土边拱肋、钢筋混凝土主拱肋段、钢管混凝土主拱肋段、副拱肋、纵系梁组成。边拱肋和桥面以下主拱肋为预应力钢筋混凝土结构。边拱肋、主拱肋混凝土段和纵梁组成三角刚构。

边拱肋断面为等高变宽实心矩形断面，由拱座处5.6×3.5m变化到与纵梁交接处的3.6×3.5m，边拱肋内布置4束17Φs15.20钢索；主拱肋断面由拱座处8.0×5.0m变化到结合部3.6×4.5m，为矩形实体断面，其内部布置5束17Φs15.20钢索和5束5Φs15.20钢索；纵梁采用矩形箱式断面，高为2.75m，宽为3.6m，顶底板厚为30cm，腹板厚度为60cm，其内部布置4束15Φs15.20钢索。

1.3 拱肋施工方案

拱肋分为四个节段，采用现浇支架施工，依次浇筑节段1、节段2、合拢段、节段3、节段4；每节段浇注完成后，待混凝土达到设计强度的90%时张拉该节段的预应力钢束。

主拱肋现浇支架采用钢管桩、分配梁搭设而成，并在拱座上设置预埋件以抵抗结构的水平拉力。主拱肋支架基础采用φ600×8mm钢管桩，边拱肋支架及纵系梁支架采用φ529×8mm钢管桩单桩设计承载能力800kN。主拱肋分3个节段浇注，共布置7排钢桩，边拱肋分4个节段浇注，共布置22排钢桩，纵系梁与主、边拱肋之间均设置2m长合拢段。钢桩间采用φ273×6mm钢管作为联结系。底平台纵梁采用HN500×200型钢，每2根为一组，焊接成箱型结构，横断面共布置9组。其横向间距为0.9。桩顶分配梁与纵梁间采用整体钢楔块抄垫焊牢。纵梁上布置I14分配梁，作为斜腿底模平台。

拱肋浇注分节及支架布置图如图2所示。

2 施工模拟分析

2.1 有限元模型分析

拱肋施工分析采用空间模型计算，利用ANSYS有限元程序对拱肋及其支架建立整体模型。拱肋混凝土结构采用实体单元SOLID65模拟，拱肋支架结构采用三维梁单元BEAM44模拟，预应力钢束采用杆单元LINK8模拟，二者均通过耦合节点自由度与混凝土连接为整体。其中主拱肋有限元模型如图3所示。

2.2 荷载及边界条件

主拱肋施工过程中的荷载有：结构自重、拱肋浇筑节段混凝土重、预应力荷载。

在分析中，现浇支架桩底采用铰接约束，只约束dx、dy和dz；拱座底部采用固结约束；现浇支架与拱肋通过只耦合z方向上自由度连接。

2.3 主拱肋计算假定

拱肋结构采用支架现浇，现场混凝土浇筑速度约30m3/小时。由于现场浇筑在7、8月份，气温较高，混凝土初凝时间大约在5-6个小时。根据施工流程和结构分段，节段②、③类似于无约束梁体支架现浇，节段④在结构合拢后浇筑，不会产生施工裂纹；主、边拱肋节段①与拱座固结，浇筑从拱座处水平分层逐步向上浇筑，浇筑时间需20多个小时，施工过程中拱肋混凝土与拱座会形成固结效应，拱肋上翼缘混凝土可能会因为固结效应产生的次应力而出现裂纹，因此需对节段①的施工受力进行分析。为便于模拟拱肋受力，假定在混凝土初凝时间范围内浇筑的混凝土无强度，并按混凝土初凝时间内的浇筑方量对拱肋进行计算加载分段，将边拱肋节段①分为4个小节段、主拱肋节段①分为3个小节段进行模拟计算。

2.4 拱肋施工工况分析

加载分段每一段浇筑过程中无强度，自重全部由支架和上一段（或拱座）承受，下一段浇筑完上一段考虑全部初凝。以下分段均指加载分段。

工况一：第二段浇筑完时（整体浇筑约10小时），将该段混凝土重等效为荷载施加到第一段混凝土和支架上。此时第一段初凝约5小时，第一段按无自重实体单元模拟；

工况二：第三段浇筑完时（整体浇筑约15小时），将该段混凝土重等效为荷载施加到第二段混凝土和支架上。此时第二段初凝约5小时，第一、二段按无自重实体单元模拟；

工况三：第四段浇筑完时（整体浇筑约20小时），将该段混凝土重等效为荷载施加到第三段混凝土和支架上。此时第三段初凝约5小时，第一、二、三段按无自重实体单元模拟。

3 计算结果分析

3.1 拱肋应力分析

根据混凝土结构浇注及受力特点可知，第三段浇注完拱肋的最大拉应力为工况一和工况二计算最大应力之和；同理第四段浇注完后拱肋的最大应力为三个计算工况应力之和。拱肋施工过程中拱肋节段①应力结果如表1所示：

通过分析可得， 拱肋节段①在浇注过程中主拱肋最大拉应力为0.709MPa；边拱肋最大拉应力为0.601MPa，均小于混凝土强度设计值，满足设计及施工安全的要求。

3.2 支架受力分析

在拱肋浇注过程中主拱肋一侧支架受力如如表2和表3所示。

由此可得， 拱肋浇注过程中主拱肋支架第1排钢管桩受力最大，最大值为710.7kN，小于桩单桩设计承载能力800kN；张拉拱肋预应力使得支架受力重新分配，与浇筑工况相比支架受力更合理。

4 结论

1）该桥拱肋V构结构新颖，受力复杂，采用ANSYS建立整体模型，可以准确模拟混凝土结构的特点以及拱肋在浇筑过程中的受力情况。

2）在施工过程中，拱肋及其支架的受力均满足设计及施工安全的要求，施工方案合理。

3）本文结合施工现场实际对拱肋施工阶段的模拟，为其施工提供了科学、可靠的理论依据，使其获得了较好的经济效益；同时可为相似工程提高参考和借鉴。

参考文献

[1]苏庆田，杨国涛.拱肋外倾角对异形空间拱桥受力的影响.桥梁建设，2011.1.

[2]彭建萍.赣州章江大桥V构施工技术.世界桥梁，2009.2.

[3]勾红叶.大跨度预应力混凝土V形刚构拱组合桥受力行为研究.西南交通大学博士论文，2010.