摘要：为解决大跨度钢管混凝土拱桥拱肋架设问题，针对新建商合杭铁路工程商丘至阜阳段（88+168+88）m连续刚构拱桥，结合工程的结构特点和环境条件，采用少支架法安装钢管拱肋。为保证拱肋架设的过程安全，考虑钢结构、管内混凝土自重及风荷载，Midas Civil建立有限元模型进行全过程分析，按照拱肋及横撑安装施工过程分为10个工况，对各种工况下钢管拱拱肋和支架各部位的强度、刚度及稳定性分析，结果满足规范要求。
关键词：少支架法；钢管拱肋；有限元分析；施工过程
0引言
近年来，钢管混凝土拱桥由于自身的独特优势，在我国公路和铁路桥梁中得到广泛地推广，迅速发展。但是由于钢管混凝土拱桥的历史相对较短，可供借鉴的国内外经验也较少，因此在设计和施工上都落后于现实的需要[1-5]。钢管混凝土拱桥施工的主要工序有：拱助的加工制作、拱助的架设、钢管混凝土灌注、吊杆安装、桥面系施工等。拱肋的加工制作、钢管混凝土灌注、吊杆安装和桥面系施工的工艺相对成熟，施工技术最复杂和最重要的工序是钢管拱助的架设[6-8]。一方面，钢管拱肋合龙前结构未形成整体，承载能力小、稳定性差，容易发生倾覆；另一方面，拱肋安装时拱轴线线形是控制成桥后拱肋线形达到设计要求的关键，钢管拱肋合龙后拱助轴线很难再做调整。因此，为钢管混凝土拱桥选择适当的钢管拱肋施工方法、确定合理的施工方案，是整个桥梁施工中的关键工作。钢管拱拱肋安装施工技术从满堂支架施工发展到少支架和无支架施工[9-11]，目前大跨径钢管拱拱桥的拱助安装以无支架施工方法为主。无支架法施工方法根据使用的吊装设备，大致可分为拱上悬臂吊机（挂篮）法、转体法、缆索吊装法以及其它方法；有支架安装法包括满堂支架法和少支架法。少支架施工法较早就已经应用于钢桁架桥的施工中，相对其他方法而言，技术难度较低，操作较方便，同时具有拱肋结构整体性好、安装精度髙等优点[12-13]。
本文结合工程的结构特点和环境条件，针对新建商丘至合肥至杭州铁路工程商丘至阜阳段（88+168+88）m连续刚构拱桥建设当中的关键环节——钢管拱助的架设问题，对少支架法架设钢管拱拱肋的支架设计进行计算分析。
1工程概况
新建商丘至合肥至杭州铁路工程商丘至阜阳段（88+168+88）m连续刚构拱桥主梁采用预应力混凝土连续梁，横截面为单箱双室截面。拱轴线采用二次抛物线，计算跨径L=168 m，计算矢高f=33.6 m，矢跨比1/5。拱轴线方程y=
，拱肋中心距为14.8 m。主桥设置两道拱肋，拱肋弦管采用外径Ø1100 mm，壁厚δ=20 mm的钢管混凝土哑铃型截面，上下两弦管中心距为2.2 m，拱肋截面全高3.3 m，钢管内灌注C55无收缩混凝土。拱肋上下钢管之间连接缀板δ=16 mm。拱肋之间共设6道‘K’字形及2道‘一’字形和1道‘米’道横撑，横撑采用圆端形截面外径Ø1200 mm，高度1500 mm，壁厚12 mm，斜撑采用Ø800 mm×12 mm钢管。
钢管拱安装采用原位支架法拼装，支架采用钢管支架，架拱支架共设24根立柱，立柱采用Ø1000 mm×10 mm的螺旋钢管，为确保钢管支架的稳定，钢管之间采用桁架作为连接系，横杆全部采用[22a槽钢，竖撑斜撑采用[10槽钢，管钢质材为Q235B钢。支架顶面安装分配梁及拱肋调整设施，形成上层操作平台，以方便拱肋拼装。吊装采用汽车吊上桥吊装，拼装立面图如图1所示。
图1 钢管拱支架布置立面图（单位：mm）
2钢管拱的安装
钢管拱单侧拱肋在工厂分为13段（不含拱脚节段）完成加工，钢管拱钢结构全重约661.5t，分为26节拱肋，9节横撑及其它配件，拱肋最长节段为15.634m，吊重26t，横撑不分节，每段横撑长13.7m，重约6.0t。
钢管支架拼装完成并检收合格后方可进行钢管拱节段的吊装，吊装时汽车吊将钢管拱节段吊至钢管支架上，通过支架顶安放的20t手动千斤顶，将拱肋节段的水平位置和标高调整到施工设计值后，用码板将该拱肋节段与上一节段临时焊接固定后，方可进行下一节段的安装，下一节段安装后对上一节段拱进行复测，线型合适即可永久焊接。钢管拱各节段的安装应对称进行，最大不平衡安装段不超过两个节段。
3有限元分析
钢管拱拱肋安装计算荷载主要考虑钢结构、管内混凝土自重及风荷载，计算时主要考虑的因素有：
1）考虑吊装时可能发生碰撞，取冲击系数为1.1。
2）风荷载简化为单元荷载作用支架及拱肋上。
3）支架风荷载简化为线荷载，拱肋风荷载简化为集中力作用在支架顶端分配梁位置。
4）横向连接系的风力简化为集中荷载作用于立柱节点。
风荷载分为工作风荷载及非工作锚固风荷载，本工程吊装作业拼装系高空作业，风荷载控制为6级（150kPa），非工作锚固考虑10级风荷载影响（600kPa）。
（1）
式中：C为风力系数，钢管拱部分取1.6，拼装支架部分取0.7；Kh为风力高度变化系数，取1.2；q为计算风压，N/m2；A为迎风面积，m2；
表1 计算风荷载值
根据式（1）可计算得到拱肋和Ø1 000 mm钢管支架风荷载值如表1所列。
拱肋分段按照制作方案分为13节，拱肋最大吊装重量小于27t，横撑最大吊装重量小于8t，每段拱肋、横撑需焊吊耳，安装后割掉并打磨平整，拱肋及横撑安装施工过程可分为10个工况，每个工况的施工内容和计算荷载如表2所列。
表2 拱肋分段安装工况表
采用Midas civil 2015建立有限元模型进行分析，支架及钢管拱均简化为梁单元，钢管拱与支架顶端接触位置采用刚性连接，立柱底端采用固定约束，模型共有2340个节点，4674个单元，有限元模型图如图2所示，各种工况下钢管拱拱肋和支架各部位的强度、位移结果如表3~4所列。
图2 有限元模型图
表3 各种工况下强度验算表
从表3可以看出，在支架及钢管拱拼装过程中，各构件部位最大组合应力远小于Q235B的设计应力190MPa，说明支架体系的强度满足设计要求。
表4 各工况刚度验算表
从表4可以看出，在支架及钢管拱拼装过程中，各构件部位最大变形值远小于规范规定的L/400=28 mm，说明支架体系的刚度满足设计要求。
对整体拱在1.2×自重+1.4×风荷载+1.2×混凝土荷载（仅合拢节段存在）作用下，进行屈曲分析，计算结果如表5所列。
表5 各工况下的屈曲特征值
从表5可以看出，在支架及钢管拱拼装过程中，整体拱的屈曲特征值都在30以上，说明支架体系的整体稳定性满足设计要求。
4结论
本文针对新建商合杭铁路工程商丘至阜阳段（88+168+88）m连续刚构拱桥，采用少支架法安装钢管拱肋问题，按照拱肋及横撑安装施工过程分为10个工况，采用Midas Civil建立有限元模型进行全过程分析，得到如下结论：
（1）在支架及钢管拱拼装过程中，各构件部位最大组合应力远小于Q235B的设计应力190 MPa，说明支架体系的强度满足设计要求
（2）在支架及钢管拱拼装过程中，各构件部位最大变形值远小于规范规定的L/400=28 mm，说明支架体系的刚度满足设计要求
（3）在支架及钢管拱拼装过程中，整体拱的屈曲特征值都在30以上，说明支架体系的整体稳定性满足设计要求。
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论文作者:万应强,康飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/1
标签：支架论文; 钢管论文; 荷载论文; 拱桥论文; 混凝土论文; 工况论文; 商丘论文; 《基层建设》2019年第9期论文;