大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程仿真分析

牛润明,段树金

(石家庄铁道学院土木分院结构研究所,河北石家庄　050043)

摘　要:大跨度钢管混凝土拱桥的拱肋吊装是一个复杂的过程,为了保证最终的成桥线形和受力状态满足设计要求,需要采用施工控制仿真计算。本文给出了仿真计算的具体步骤,提出了基于迭代理论的前进分析方法,并通过实例验证了此方法的可行性。关键词:钢管混凝土;拱桥;施工控制;仿真分析

中图分类号:U448.222;U445.464　文献标识码:A　文章编号:100927716(2004)0220064203

1　前言

桥梁结构施工控制的目的就是在施工安全的前提下,保证桥梁成桥线形和受力状态符合设计

要求。为了达到施工控制的目的,我们必须对桥梁施工过程中每个阶段的受力状态和变形情况进行预测和监控。因此,必须采用合理的理论分析和计算方法来确定每个施工阶段在受力和变形方面的理想状态,以便控制施工过程中的结构行为,使其最终的成桥线形和受力状态满足设计要求。

大跨度钢管混凝土拱桥常采用缆索吊装施工,缆索吊装法就是根据缆索吊机的吊装能力,将拱肋预制成若干节段,从两岸拱脚起,用缆索吊机将拱肋节段逐段组装,每吊装一节就用扣索将该节段扣挂在塔架上,并与前面相邻的节段焊接(或栓接)为一体,最后在跨中合龙,然后拆除所有扣索,拱肋组装完毕。在吊装过程中,钢管拱肋要进行多次体系转化,单元数量、截面组成也在不断变化之中,拱肋挠度和应力变化幅度较大,要使竣工后的拱轴线和各截面内力符合设计要求是既重要又困难的任务。钢管混凝土拱桥施工控制的主要目的就是保证成桥后的拱轴线达到设计拱轴线,而且使其受力符合设计要求。

梁结构的实际施工历程,最终得到成桥结构的受力状态,同时也能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力情况。对于缆索吊装的钢管拱肋,其计算过程为:

(1)确定前进分析的初始状态(包括扣塔高度,扣、锚索在扣塔的锚固处的位置,扣塔距拱脚处的水平距离等)。

(2)吊装拱肋第一节段(如图1),同时计算拱

肋自重下产生的挠度Δ11及张拉扣索的索力F1。

(3)吊装拱肋第二节段。以吊装第一节段结束时的结构变形状态为基础,计算吊装第二节段

在本阶段荷载作用下的挠度{δ}和扣索索力2

{f}(如图2),在本阶段结束时,整个结构的变形和受力状态为图1和图2的叠加(如图3)。

(1){Δ2}={Δ1}+{δ}

212

(2){F}={F}+{f}

(4)依次按步骤3的方法吊装第3、4、5……节段,直到吊装合龙前,计算在各个吊装节段的挠度和扣索索力,然后进行叠加,算出各个节段总的挠度{Δj}和扣索索力{Fj}。

{Δ}={Δ}+{F}={F}+

i=2j

{δ}∑

(3)(4)

i=2

{f}∑

2　前进分析法在桥梁施工控制中的应用

前进分析是按照桥梁结构实际施工加载顺序

来进行结构变形和受力分析,它能较好地模拟桥

收稿日期:2003212203

作者简介:牛润明(19742),男,河北石家庄人,讲师,从事桥梁结构设计、施工等工作。

两岸拱肋合龙前的结构状态如图4。

(5)两岸拱肋合龙并松扣索。在此阶段结构体系发生变化,逐步松扣索的过程就是索力向空钢管拱肋的逐步转移的过程。这一过程的最终即全部松索就相当于在扣点作用一个与索力反向、大小相等的外力,在这些外力作用下,拱肋上各点又增加了一个松扣挠度dy(如图5),这个值与上述吊扣挠度之和即为骨架安装成拱挠度(如图6)。

—6

4—

拟位移。

设老节点A的位移为(ua,va,θa),与节点B形成新单元,根据几何关系可推出B节点的虚拟位移:

θ(6)ub=ua-lθ+asin

2θ(7)vb=va-lθcos+a

θ(8)b=θa

3　基于迭代理论的前进分析法在拱肋吊

装过程中的应用

3.1　索单元在分析中的处理方法

式中:l———新单元长度φ———新老节点连线与X轴的夹角

在结构计算时,节点B的坐标以设计坐标加上上式计算出的虚拟位移代入进行计算。3.3　基于迭代理论的吊装预测计算

扣索单元的特点是它不能受压、受弯,只能承

受拉力,但是扣索的自重对结构的平衡的影响不可忽略,即必须考虑索的垂度效应,柔索的垂度效应可用Ernst公式对弹性模量进行修正

。

钢管拱肋成拱后的理想线形应该是制造拱轴线减去骨架一次成拱的自重挠度,以此作为骨架安装控制的目标。为保证钢管拱肋的合龙时拱肋线形满足要求,每个节段吊装时应设置一个预抬标高,这个预抬标高应该保证在历经后续节段吊装所引起的标高变化之后,在合龙时正好达到设计标高。

在吊装预测计算时,先取一组适当的预抬标高初值,然后按照实际施工过程进行计算,通过计算得到合龙成拱后的线形,如与理想线形相差较大,则对初始预抬标高进行修正,如此反复,直到合龙成拱后的线形为理想线形。

其计算过程框图如图8所示:

图7　索单元受力图

其等效弹性模量Ei为:

(5)()231+

12F3

求出Ei后,就可把扣索作为一般的直杆单元Ei=

4　算例

4.1　工程概况

处理。

3.2　新增单元的新老节点位移修正

拉西瓦黄河大桥位于黄河上游山岭重丘区,该桥为上承式钢管混凝土拱桥,设计净跨L0=132.0m,

净矢高F0=20.308m,矢跨比1/6.5,拱

在前进分析中,老节点会不断迁移,应在新单元增加前根据老节点已知位移来推算新节点的虚

轴系数m=1.51,为悬链线线型;计算跨径L=

—65

—

拼装施工,支承塔架为缆塔与塔合二为一的独塔结构,跨度260m,最大起吊重量38t。每片拱肋分9段加工,最大段长约21m,拱肋吊装前,将中间一片拱肋与另外一片拱肋在拼装厂拼装成空间结构,分9段从两岸对称吊装,最大吊装重量35t。待两片拱肋吊装完毕后,再吊装第三片拱助。4.2　计算结果

依据上述计算方法,编制了相应的计算程序。在计算中,拱肋采用分段直梁单元,斜拉索采用杆单元来模拟。全桥共编制了71个单元,70个节点。控制点取在扣点处,单片半拱共4个控制点。计算结果见表1。

表1　吊装预测结果

控制点合理成拱状态正装迭代后

(扣点)标高(m)成拱状态标高(m)

1234

6.44614.97919.56520.514

6.45115.01819.58220.501

图8　初始预抬标高计算框图

133.466m,计算矢高F=20.529m;按悬链线线型

预拱,跨中预拱度为0.15m,施工放样下料时,采

用设计矢高F=20.679m

。

钢管拱肋合龙时扣索索力(kN)

575.43900.22736.01278.99

图9　拉西瓦黄河大桥总体布置图

5　结论

(1)本文提出的基于前进分析的正装迭代

主拱肋断面形式为哑铃型,每肋由两根直径

100cm的钢管和中间缀板组成。拱肋沿横桥向中心距分别为2×4.8m,每片拱肋立柱位置设横撑一道,全桥共设横撑13道;每道横撑为空钢管组成平面桁架梁。拱肋断面及横撑构造见图10

。

法,思路清晰,应用简单,收敛速度快。

(2)通过最后一轮迭代可以得到各个拱肋节段吊装的预抬标高值、各吊装阶段扣索索力计算值和各拱肋节段控制标高值,这些值是施工和施工监控的重要依据。

参考文献:

[1]徐君兰1大跨度桥梁施工控制[M]1北京:人民交通

出版社,20001

图10　拱助及横撑构造图

[2]陈宝春1钢管混凝土拱桥设计与施工[M]1北京:人

钢管拱肋的安装采用缆索吊机斜拉扣挂悬臂

民交通出版社,20001

美国发明一种新型绿色粘接剂

沥青和水泥混凝土今后将不再是铺路材料的首选。美国一公司已发明一种新型绿色粘接剂,在这

种粘接剂的作用下,天然的土料,例如磨碎到一定粒度的花岗石废料或粘土也可以用来铺路。

这种路面的抗压强度比沥青路面的要高出3倍,而且不需要加热。・编辑部启事・为适应广大读者的需求,进一步推进技术交流,本刊编辑部决定将在我刊已发表的部分有关隧道与轨道交通工程方面的技术论文在“上海隧道网站”上刊登。若作者不同意将此论文进入该网站,请与编辑部联系。

—6

—

ToInquireintoRainstormFormulainSingleRecurrenceIntervalbySearchingMethod…QiuZhaoFu,ZhouQietal(51)

Abstract:Itneedstocompiletherainstormdensityformulainsinglerecurrenceinterval,wheninquiringintotherainstormdensityformulaoftheurbanrainwaterdrainagesystembytherainfalldatarecodedbyself-recordingraingauge.Onthebasisofgraphicmethodtheauthorgivesakindofcorrect,reliable,simpleandfeasiblecomputermethod.Whenprogram2mingandfiningthesolutionofparametersintherainstormdensityinthesinglerecurrenceinterval,theaverageandabso2lutemeansquareerroroftheformulatobeobtainedcouldbecontrolledin0.05mm/min.Keywords:rainstormdensityformula,recurrenceinterval,searchingmethod

MANAGEMENT&CONSTRUCITON

ConstructionofBridgeFoundationinComplexHydrologicGeologicalCondition…………………………………SongJie(54)

Abstract:Thebridgeconstructioncouldbeinfluencedbyvariouskindsofnaturalconditions.Especiallyintheconstructionofbridgefoundationsinwaterthecomplexandvariedhydrologicgeologicalconditiongreatlyinfluencesontheselectionoftheconstructionoption.Thepaperintroducessomesuccessfuldoingsfortheconstructionofbridgefoundationsinmorecomplexhydrologicgeologicalcondition.

Keywords:complexhydrologicgeology,bridgefoundation,construction

ApplicationofValuedProjectsinSelectionofOptimumConstructionOptionofACertainDrainageProject…JiangLi(58)

Abstract:Thepaperfirstlystatesthebasicworkingprincipleofthevaluedproject.Secondly,fromtheprojectpracticeitselectstheoptimumconstructionoptionofacertaindrainageprojectbythevaluedprojectsoastoreducereasonablythecostandshortentheconstructionperiod.

Keywords:valuedproject,constructionoption,optimallyselect

CauseandCountermeasureofEarlyCracksofPumpConcrete………………………………………………ZhangYang(61)

Abstract:Thepapercomprehensivelyanalyzesthecauseofearlycracksoffromtheconstructionangle.Italsoputsforwardsomesuggestionsforcomprehensivelypreventingandcontrollingtheearlyconcretecracks.Keywords:pumpconcrete,earlycracks,cause,countermeasure

ImitativeAnalysisinHoistingCourseofArchRibsofLarge-SpanSteelPipeConcreteArchBridge…………………………

…………………………………………………………………………………………NiuRunMing,DuanShuJin(64)

Abstract:Theribhoistingoflarge-spansteelpipeconcretearchbridgeisacomplexcourse.Inordertoensurethatthefi2nalbridgelineandtheforcedstatusmeetthedesignrequirement,itneedstoadoptthecalculationoftheconstructioncon2trolimitation.Thepapergivestheactualstepsofimitativecalculationandputsforwardtheadvancinganalysismethodbasedoniterativetheoryandverifiesthefeasibilityofthismethodthroughtheexample.Keywords:steelpipeconcrete,archbridge,constructioncontrol,imitativeanalysis

RESEARCHOFSCIENCE&TECHNOLOGY

ProjectofWideningandRebuildingHistoryCultureStreetatNanjingChangjiangRoad

……………WangGuangFeng(67)

大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程仿真分析

牛润明,段树金

(石家庄铁道学院土木分院结构研究所,河北石家庄　050043)

中图分类号:U448.222;U445.464　文献标识码:A　文章编号:100927716(2004)0220064203

1　前言

桥梁结构施工控制的目的就是在施工安全的前提下,保证桥梁成桥线形和受力状态符合设计

(1)确定前进分析的初始状态(包括扣塔高度,扣、锚索在扣塔的锚固处的位置,扣塔距拱脚处的水平距离等)。

(2)吊装拱肋第一节段(如图1),同时计算拱

肋自重下产生的挠度Δ11及张拉扣索的索力F1。

(3)吊装拱肋第二节段。以吊装第一节段结束时的结构变形状态为基础,计算吊装第二节段

在本阶段荷载作用下的挠度{δ}和扣索索力2

{f}(如图2),在本阶段结束时,整个结构的变形和受力状态为图1和图2的叠加(如图3)。

(1){Δ2}={Δ1}+{δ}

212

(2){F}={F}+{f}

{Δ}={Δ}+{F}={F}+

i=2j

{δ}∑

(3)(4)

i=2

{f}∑

2　前进分析法在桥梁施工控制中的应用

前进分析是按照桥梁结构实际施工加载顺序

来进行结构变形和受力分析,它能较好地模拟桥

收稿日期:2003212203

作者简介:牛润明(19742),男,河北石家庄人,讲师,从事桥梁结构设计、施工等工作。

两岸拱肋合龙前的结构状态如图4。

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4—

拟位移。

设老节点A的位移为(ua,va,θa),与节点B形成新单元,根据几何关系可推出B节点的虚拟位移:

θ(6)ub=ua-lθ+asin

2θ(7)vb=va-lθcos+a

θ(8)b=θa

3　基于迭代理论的前进分析法在拱肋吊

装过程中的应用

3.1　索单元在分析中的处理方法

式中:l———新单元长度φ———新老节点连线与X轴的夹角

在结构计算时,节点B的坐标以设计坐标加上上式计算出的虚拟位移代入进行计算。3.3　基于迭代理论的吊装预测计算

扣索单元的特点是它不能受压、受弯,只能承

受拉力,但是扣索的自重对结构的平衡的影响不可忽略,即必须考虑索的垂度效应,柔索的垂度效应可用Ernst公式对弹性模量进行修正

。

其计算过程框图如图8所示:

图7　索单元受力图

其等效弹性模量Ei为:

(5)()231+

12F3

求出Ei后,就可把扣索作为一般的直杆单元Ei=

4　算例

4.1　工程概况

处理。

3.2　新增单元的新老节点位移修正

拉西瓦黄河大桥位于黄河上游山岭重丘区,该桥为上承式钢管混凝土拱桥,设计净跨L0=132.0m,

净矢高F0=20.308m,矢跨比1/6.5,拱

在前进分析中,老节点会不断迁移,应在新单元增加前根据老节点已知位移来推算新节点的虚

轴系数m=1.51,为悬链线线型;计算跨径L=

—65

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表1　吊装预测结果

控制点合理成拱状态正装迭代后

(扣点)标高(m)成拱状态标高(m)

1234

6.44614.97919.56520.514

6.45115.01819.58220.501

图8　初始预抬标高计算框图

133.466m,计算矢高F=20.529m;按悬链线线型

预拱,跨中预拱度为0.15m,施工放样下料时,采

用设计矢高F=20.679m

。

钢管拱肋合龙时扣索索力(kN)

575.43900.22736.01278.99

图9　拉西瓦黄河大桥总体布置图

5　结论

(1)本文提出的基于前进分析的正装迭代

主拱肋断面形式为哑铃型,每肋由两根直径

。

法,思路清晰,应用简单,收敛速度快。

参考文献:

[1]徐君兰1大跨度桥梁施工控制[M]1北京:人民交通

出版社,20001

图10　拱助及横撑构造图

[2]陈宝春1钢管混凝土拱桥设计与施工[M]1北京:人

钢管拱肋的安装采用缆索吊机斜拉扣挂悬臂

民交通出版社,20001

美国发明一种新型绿色粘接剂

沥青和水泥混凝土今后将不再是铺路材料的首选。美国一公司已发明一种新型绿色粘接剂,在这

种粘接剂的作用下,天然的土料,例如磨碎到一定粒度的花岗石废料或粘土也可以用来铺路。

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ToInquireintoRainstormFormulainSingleRecurrenceIntervalbySearchingMethod…QiuZhaoFu,ZhouQietal(51)

MANAGEMENT&CONSTRUCITON

ConstructionofBridgeFoundationinComplexHydrologicGeologicalCondition…………………………………SongJie(54)

Keywords:complexhydrologicgeology,bridgefoundation,construction

ApplicationofValuedProjectsinSelectionofOptimumConstructionOptionofACertainDrainageProject…JiangLi(58)

Keywords:valuedproject,constructionoption,optimallyselect

CauseandCountermeasureofEarlyCracksofPumpConcrete………………………………………………ZhangYang(61)

ImitativeAnalysisinHoistingCourseofArchRibsofLarge-SpanSteelPipeConcreteArchBridge…………………………

…………………………………………………………………………………………NiuRunMing,DuanShuJin(64)

RESEARCHOFSCIENCE&TECHNOLOGY

ProjectofWideningandRebuildingHistoryCultureStreetatNanjingChangjiangRoad

……………WangGuangFeng(67)

大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程仿真分析

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