大跨徑鋼混組合骨架轉體橋合龍受力變形模擬分析

劉向開，白雪（.九江市建設工程質量檢測中心，江西 九江 33000；.上海市工程結構安全重點實驗室，上海0003）

0 引 言

我國的轉體工藝理論研究始于20世紀70年代，并于四川省第一次采用平轉施工法來進行橋梁施工[1]。隨著新興的建筑和工程技術不斷涌現，吊裝和旋轉設備的性能和效率不斷提高，轉體施工工藝更加可行。同時，國內對基礎設施（如橋梁、隧道、水庫和建筑物等）的需求不斷增加，轉體施工工藝能夠提高施工速度和效率，滿足了這些需求。與傳統的施工方法相比，轉體施工工藝通?？梢詼p少對環境的不良影響，例如減少土地破壞和噪聲污染。轉體施工工藝還因其能夠在施工過程中保持原有交通狀態，并具有顯著的經濟效益等優點，而被廣泛采用[2-4]。近年來，隨著國家經濟的快速發展以及交通網絡的擴張，轉體施工工藝已成為修建跨越鐵路、公路等橋梁的重要施工方法之一。在我國，運用轉體施工方法修建的橋梁數量已超過200座。其中，湖北省恩施土家族苗族自治州鶴峰縣的南渡江轉體拱橋是采用混凝土球鉸轉體橋中跨徑最大的一座[5]。

相關學者對轉體施工工藝做了諸多研究：Liu等[6]研究了轉體橋的整個施工過程，并提出了轉體橋梁施工中心承重的安全控制理念；范劍鋒等[7]提出了基于非赫茲接觸應力的轉體球鉸受力分析方法，顯著提高了球鉸接觸應力計算的準確性；車曉軍等[8]基于球鉸應力差，對轉體橋的不平衡力矩進行了準確的計算；蔣濤應等[9]也對轉體橋球鉸的傾覆力矩及摩擦系數的計算進行了優化，先采用稱重試驗獲得豎向摩阻力矩，再通過計算豎向摩阻力矩求解摩擦系數，大大提高了計算精度；張景輝[10]對轉體橋合龍段混凝土縱向開裂控制進行研究，提出提前灑水潤濕合龍段兩側老混凝土等方法，以降低合龍段新澆筑混凝土的早期收縮應力，防止合龍段混凝土縱向開裂。以上文獻都研究了轉體施工過程中的各個關鍵階段，但是橋梁合龍之后的受力分析鮮有涉及。主跨合龍后橋梁受力狀態的改變，對于橋梁的施工安全同樣重要。通過有限元數值模擬軟件Midas/Civil，即可實現合龍后橋梁受力狀態的模擬計算，為橋梁的施工安全提供有力的數據支持。本文以湖北省恩施土家族苗族自治州鶴峰縣的南渡江轉體拱橋為例，通過Midas/Civil軟件對大跨度鋼-混凝土組合結構旋轉橋的轉體橋合龍受力變形進行研究，為確保橋梁施工的安全提供參考。

1 工程概況

橋梁為半跨鋼筋混凝土箱拱橋，混凝土樓板為剛性骨架?？傞L度為272.26 m，其中主橋的凈跨度為190 m，凈矢跨比和凈跨距分別是1/5和38 m，拱軸系數m＝1.998。該鋼筋混凝土箱式拱橋主要由主拱環和拱體2個部分組成。轉動體系骨架采用了小直徑鋼管混凝土和混凝土底板，底部結構包括一個寬7.5 m、厚15 cm的鋼筋混凝土底板，底板混凝土等級為C45。南渡江轉體拱橋立面布置圖，如圖1所示。

圖1 南渡江轉體拱橋立面布置圖

施工過程包括6個工序。

（1）工序1：首先是主拱基坑挖掘施工，然后依次進行其他部位的混凝土澆筑。根據地形進行土牛拱胎的挖掘，用于支撐河兩岸的轉動體系，并設置簡單的支撐結構；接著，將預制并焊接好的勁性骨架截段運送至現場，進行現場組裝，以搭建完整的半跨拱骨架系統。

（2）工序2：本階段先安裝拉索和背索絞線，然后依次交替拉伸拉索和背索的鋼索。張緊順序按照旋轉系統結構圖中拉索、背索張緊順序表進行，張緊順序采用邊—中—邊順序。將車架拉緊后，形成旋轉系統，用千斤頂驅動旋轉體到位。

（3）工序3：在這個步驟中，旋轉到位進行臨時鎖定，隨后進行密封混凝土的澆筑。在上部板回填完成后，會超挖一部分混凝土，然后進行弦鋼管和連接段的支撐桿焊接，接下來進行拱頂底板接縫混凝土的澆筑，最后完成合并拱的過程。

（4）工序4：先簡支拱環，再分段均勻對稱澆筑左右兩邊的上鋼管混凝土；接下來，將下側墻、上側墻、2樓、屋頂和梁混凝土均勻地分段澆筑，每段長度約為15 cm；最后形成設計截面的箱拱環，拆除扣環和背纜。

（5）工序5：完成拱環的支撐，依次進行左右半拱對稱澆筑其余的構筑物，包括柱、系梁、蓋梁。

（6）工序6：移除導孔和拱門上的簡單支撐；然后將預制好的小箱梁對稱吊裝在左右半拱上；吊裝完成后，對箱梁的濕縫進行左右對稱澆筑；隨后進行第2期鋪裝、人行道及配套工程。

本研究主要對第4步半跨系統旋轉對接完成后拱肋閉合力變形進行仿真分析。這一過程對柱等結構的后續澆筑有著至關重要的影響。

2 Midas/Civil軟件模擬方法及結果

橋梁主跨及背墻采用Midas/Civil軟件進行模擬分析，其主拱圈為鋼管結構，采用Beam單元進行模擬，轉動體系到位后，迅速焊接接縫段上弦鋼管及撐桿，以防止溫度變化和風荷載導致兩側轉動體系鋼管的錯位，并及時澆筑拱頂底板接縫混凝土，合龍成拱（如圖2所示）。轉體過程中，連接背墻與主拱圈的鋼管結構為張拉鋼索，在合龍后將拆除，不再承受拉力，主拱圈的重力將完全由拱圈本身承擔，并傳至拱腳處。

圖2 轉體橋合龍示意圖

2.1 合龍后勁性骨架受力分析

拱圈合并后，其剛性骨架的應力分布云圖和混凝土底板的應力分布云圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 拱圈骨架（鋼拱）應力云圖

圖4 拱圈底板（混凝土）應力云圖

通過對圖3數據進行分析，可以得出：合龍后拱環剛骨架的最大拉應力為48.5 MPa，最大壓應力為165 MPa。這些應力值小于Q345鋼的屈服強度，因此剛性骨架的強度滿足要求。最大壓應力仍然出現在拱腳的上弦位置。值得注意的是，合龍后拱圈加勁骨架的最大拉應力與拉伸脫離時半跨拱圈加勁骨架的最大拉應力幾乎沒有差別，兩者相差不大。與半跨拱圈加勁框架的最大壓應力161.1 MPa相比，合龍后的壓應力僅減少了2.3%。一般而言，合龍后拱圈剛度骨架的應力變化較小，這有助于形成一個整體系統，使其共同承擔荷載。這種合龍狀態有利于結構的穩定性和可靠性。此外，需要進一步強調的是，雖然拱圈的勁性骨架在合龍后滿足強度要求，但在實際應用中還需要綜合考慮其他因素，如變形、位移等，以確保整體結構的安全性與穩定性。

由圖4數據分析可知，閉拱混凝土底板大部分截面均承受壓力，最大壓應力為2.8 MPa。需要注意的是，混凝土樓蓋拱腳截面受拉應力較大，達2.7 MPa，超過C45抗拉強度標準值，因此可能導致裂縫的風險。與最大壓應力2.71 MPa和最大拉應力2.8 MPa相比，封閉混凝土底板的應力基本沒有變化。這意味著混凝土樓板的應力變化較小，有利于形成整體體系，使混凝土樓板共同承擔荷載。然而，在實際工程中，盡管混凝土底板的應力變化幅度較小，仍需密切關注可能產生的裂縫問題。為了確保結構的穩定性和耐久性，可能需要采取適當的加固措施，比如增加鋼筋或使用其他增強材料，以提高混凝土底板的抗拉強度。

2.2 合龍后拱圈變形分析

合龍后拱圈的變形和拱圈主要截面的豎向位移，如圖5和圖6所示。拱圈的最大位移都發生在半跨L/2截面（左右兩邊皆是），達到了117.4 mm，說明左右兩跨風險最大位置為這2個截面。由于工程實際中情況復雜，各種工況的疊加可能超過模擬計算結果，所以在有必要的情況下，需要在左右半跨的L/2截面處進行加固，以防在拱圈合龍后拱肋出現屈曲破壞現象。

圖5 拱圈變形圖

圖6 拱圈主要截面豎向位移

在拱橋左右兩跨的結構中，3L/8～3L/4截面范圍內拱圈位移都較大。拱圈合龍后，這些區域的變形與合龍前基本沒有發生太大的變化。盡管如此，在施工過程中仍需對此節段給予一定關注。同時，由于左右兩跨的3L/8～3L/4截面范圍內位移較大，可能需要采取一些額外措施來確保結構的穩定性和安全性。在施工期間，建議對該區域進行更加密切的監測和測量，以便及時發現異常情況，并采取相應的調整措施。

2.3 合龍段受力分析

合龍段的勁性骨架應力分布，如圖7所示；混凝土底板的應力分布，如圖8所示。在合龍段的勁性骨架主要承受拉力（最大4.3 MPa，在上平聯的斜腹桿位置）及部分壓應力（最大7.5 MPa）。最大拉應力出現在上平聯的斜腹桿位置。值得注意的是，在合龍段，勁性骨架的最大拉應力和最大壓應力均符合鋼材的屈服強度設計要求。這表明，勁性骨架的強度具有足夠的承載能力，并滿足設計要求。同時，合龍后的混凝土底板主要受拉力作用（最大0.63 MPa）。值得一提的是，該拉應力遠小于抗拉強度標準值（C45混凝土），滿足了混凝土底板強度的設計要求，不存在拉應力方面的安全隱患。

圖7 勁性骨架應力圖

圖8 拱肋混凝土底板應力圖

雖然合龍段的勁性骨架和混凝土底板的應力分析結果都顯示其強度符合要求，但在工程實踐中，除了強度考慮外，還需要綜合考慮結構的變形、穩定性以及耐久性等方面的問題。因此，在工程設計和施工過程中，需要進行全面的結構分析和評估，以確保整個結構在使用過程中安全可靠。此外，如果需要進一步提高結構的性能，可以考慮優化設計或增加適當的加固措施。

3 結 語

本文使用Midas/Civil軟件進行模擬分析，研究了轉體橋在合龍段拱肋的最大受力位置和極限變形狀態，并對轉體橋的安全性進行了評估。

（1）拱圈剛性骨架在合龍后無明顯應力變化，轉體橋河兩邊半跨旋轉體系形成了統一的結構，共同承受荷載，有利于橋梁下一步的安全施工。

（2）在合龍后，拱圈的混凝土底板截面出現最大壓應力（2.8 MPa），混凝土底板的拱腳截面承受較大的拉應力（2.7 MPa），混凝土底板的強度、變形都滿足要求，但是有產生裂縫的風險，需要額外關注。

（3）半跨L/2截面處出現最大位移，該截面為風險最大位置。由于工程實際中情況復雜，在有必要的情況下，需要在左右半跨的L/2截面處進行加固。

（4）在合龍施工過程中，勁性骨架最大拉應力（4.3 MPa）和壓應力（7.5 MPa）都小于鋼材的屈服強度，這表明骨架的強度滿足設計要求。

綜上所述，合龍段的勁性骨架和混凝土底板的強度、變形都滿足要求，為后續施工階段的穩定性提供了堅實的數據基礎。

通過Midas/Civil軟件對合龍階段受力變形進行仿真分析，可以更好地了解橋梁結構在施工過程中的力學響應，為工程實踐提供科學依據和技術支持。同時，本文的研究對于促進橋梁施工監測的模擬計算、最終確保橋梁施工的安全也具有一定的參考價值。