摘要：桥梁建设是现代工程基建项目之一，鉴于现代路桥工程较大的通行压力，要求应用各类手段确保桥梁工程质量。基于此，本文选取某地下承式钢桁架桥施工作为对象，全程进行监控要点分析，包括拱肋模拟、吊杆模拟的建立，线弹性稳定、非线性稳定计算等，最后结合监控工程给予要点总结，以期通过分析明晰理论，为后续下承式钢桁架桥施工监控工作提供参考。
关键词：下承式钢桁架桥；有限元分析；线弹性稳定；非线性稳定
前言：下承式桥（through bridge）是指桥面设置在桥跨主要承重结构（桁架、拱肋、主梁）下面的桥梁，即桥梁上部结构完全处于桥面高程之上，一般主拱肋采用钢管混凝土结构，可作为大跨度拱桥的首选。该种桥梁并给我国独创，进入我国后却得到了快速发展，当前针对该类桥梁的监控主要针对稳定性和形变量控制，此外也包括一些传统的工程环节，就求施工监控要点进行分析十分必要。
1.工程概况
工程位于江苏省南京市境内，为缓解当地交通压力，市政部门拟建下承式钢管混凝土系杆拱桥。设计跨径为77.5m，计算跨径75.7m，桥面宽为2.8×1.75m (系杆宽度)+2.2×0.8m(防撞护栏)+19.7m(行车道)，为进一步确保桥梁质量，布置3道风撑，风撑呈一字型，另有“K”型风撑两道。处于强化桥梁稳定性的考虑，设计拱肋内倾角为11°9′，垂直面内拱肋投影方面，经严密计算取矢高20m。矢跨比为四分之一（计算），拱肋轴线以抛物线原理进行计算和布置，截面高度取178cm，腹板厚度15mm，钢管厚度15mm，单管直径为78cm。桥梁主体结构为钢筋混凝土。其中桥面混凝土规格为C40，系梁、中横梁以及端横梁混凝土规格为C50，钢管强度标准为Q345D，以混凝土进行填充，规格为C50。桥面为沥青品质，厚度8cm，吊杆直接应用预制成品索，规格PES7-91，应用冷铸镦头锚作为搭配，规格LZM7-91。
2.模型构建与分析
2.1拱肋模拟
下承式钢桁架桥是否具备稳定结构，主要取决于拱肋性能，因此采用有限元模型进行建模分析。本次工程中，对拱肋的处理主要应用换算截面法进行，以抗压刚度等效作为核心指标，选取C40、C50钢筋混凝土模式，将其作为等效钢材进行分析，计算方法参考《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28:90，以下简称《CECS 28:90》)，并在各构件的等效进行时采用统一方式。此外，利用ANS YS中的超级梁单元BEAM 188作为参考进行复合截面梁计算，构件模型分别对内部圆截面混凝土、外部圆环截面钢材进行强度等效计算[1]。
2.2 吊杆模拟
本次施工所用吊杆为二力杆，模拟成桥状态，以刚性吊杆法代替柔性吊杆索进行分析，在分析过程中额外应用初应变法、降温法进行张拉模拟，模拟过程中，添加参数代表风力、自重和老化程度的影响。此外模拟不考虑不计吊杆在结构中的作用，以极小值替代法作为吊杆弹性模量。桥面板模拟采用壳单元法，将桥面划分为若干单元，代入标准设计值模拟。系梁、风撑和横梁单独作为梁单元，也引入标准设计值进行模拟，在系梁、横梁上所施加的预应力均以作用在梁端的等效力来模拟[2]。
3.结构稳定性监控
稳定性监控是下承式钢桁架桥施工监控的核心，包括线弹性稳定、非线性稳定两个方面。
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3.1线弹性稳定监控
针对线弹性稳定的监控主要针对特征值屈曲进行，该方式也被称为第一类稳定。主要观察指标为屈曲荷载的上限，当屈曲荷载达到上限值后，可以获取一个失稳状态下的形变模型。该模型可以随着荷载的增加不断变化，使人员了解目标对象的抗压上限，优势是分析过程简单，属于一种高效的开放模型。本次施工模拟过程中，线弹性稳定监控在非复合截面梁法下进行，监控数据表明屈曲特征值随拱肋面内刚度E I增大而增大，以换算截面法表示，屈曲特征值的上限为7.898，符合设计要求，也符合《CECS 28 :90》的要求。变化幅值方面，依据模拟实验结果，最大变化幅值为16.2％，满足设计要求。此外，实验表明1阶屈曲模态为拱肋面外三波正对称失稳。因为该组合式系杆拱桥具有强大的桥面系和横梁结构，所以本桥表现为“强梁弱拱”特性，拱肋最易发生面外失稳，因此额外进行面内刚度测试，结果表明，形变量基本维持在4-9mm之间，满足设计要求。
3.2 非线性稳定
非线性稳定是指一些不可预知变化导致的结构性能下降，一般通过严格的管理控制可以最大限度降低这种失稳情况，也即通常所说的材料监控、施工规范性监控以及流程监控等常规内容。结合其他同类工程建设经验以及本次施工的实际要求，发现工程的几何非线性效应不显著，为激发面外失稳模态，进行实验参数调整，取拱肋初始几何缺陷为自重下1 阶屈曲变位的3％进行测量。综合考虑材料非线性的结构增量、几何非线性的结构增量，默认二者平衡的情况下，获取计算式：
([ KD] +[ KG] ){Δδ}={ΔF}.
式中，[ KD] 为结构弹塑性刚度矩阵；[ K G] 为结构几何刚度矩阵；{Δδ}为节点位移增量;{ΔF}为外荷载增量。应用N-R 法和弧长法进行求解计算，获取非线性屈曲的极限荷载，进行多次测量、多次计算，求取最优值，使所获结果接近真实情况。本次施工中，在屈曲变位的3％的模拟情况下，双非线性稳定系数K cr=3.944，拱肋失稳时最大横向位移为0.052m，非线性稳定情况良好，梁桥形变量小于0.2％，满足设计要求。
3.3核心结论
结合本次工程施工监控，给出下承式钢桁架桥施工监控要点包括：结构的稳定模拟、形变量计算、正对称失稳水平以及常规监控四个方面。结构的稳定是监控核心，要求以设计参数为准构建模型进行分析，先了解内部超静定结构，再了解拱肋刚度，通过开放性模拟获取极限值，对比极限值与标准值的差异，如果极限值低于标准值，表明设计可行。形变量分析同样遵循开放性模拟原则，要求持续增加外荷载了解形变量上限，如果小于设计允许值，表明设计可行。线弹性稳定系数方面，要求系数均大于6，双非线性分析所得稳定系数大于4，如果无法达到标准要求，应重新进行设计。本次工程中，由于设计较为合理，选材得当，几何非线性效应对失稳影响不显著，但同类工程中应将其作为要点之一给予监控。此外，常规的材料、施工规范性也应作为监管对象，确保工程质量。
总结：通过分析下承式钢桁架桥施工监控要点，获取了相关理论。下承式钢桁架桥属于下承式桥的一种，在对其进行监控时，除常规材料、规范性、安全监控内容外，还应注意结构的稳定、变形量、非弹性稳定系数以及正对称失稳等参数。后续工作中，要求在进行桥梁建设前，首先进行综合分析，收集数据、构建模型，了解各参数的情况，核准其满足施工要求后再进行建设，确保工程质量。
参考文献：
[1]庄如，李浩.浅淡下承式钢桁架拱桥施工[J].公路交通科技(应用技术版)，2016，12(09):168-170.
[2]吴志勤.下承式预应力混凝土桁架桥自振特性研究分析[J].湖南交通科技，2015，41(04):77-82.
论文作者:贾硕,荣钊,王胜寒,孙康
论文发表刊物:《基层建设》2018年第11期
论文发表时间:2018/6/12
标签：桁架论文; 稳定论文; 屈曲论文; 吊杆论文; 结构论文; 桥面论文; 截面论文; 《基层建设》2018年第11期论文;