某钢管混凝土拱桥施工过程模拟分析

某钢管混凝土拱桥施工过程模拟分析
钢管混凝土能实现大跨度拱桥经济、省料、安装方便和后期承载力高的目标，对于铁路桥梁有着独特的优势。

但由于钢管混凝土理论研究滞后于工程实践及施工技术，工程中出现不少问题。

因此，对钢管混凝土结构施工技术的研究具有实际意义。

本课题以向莆铁路某钢管拱特大桥为依托，对六四军用梁平台搭设钢管骨架、四环六面法浇筑混凝土、桥面荷载等施工过程，利用MIDAS CIVIL软件进行模拟和计算。

标签：钢管混凝土；劲性骨架；军用梁平台
1 工程概况
本桥位于福建省尤溪县境内，属于沿海内陆地区，本桥于DK400+806～DK400+916处跨越尤溪，河道与线路夹角为90°。

（1）主要技术标准：铁路等级：Ⅰ级；正线数目：双线；设计速度：200km/h；正线线间距：4.6m；设计荷载：中-活载。

（2）孔跨布置：孔跨布置：1-24m简支T梁+1-140m拱桥+1-32m简支T梁；桥全长：222.2m。

2 军用梁平台、劲性骨架及混凝土结构MIDAS模型建立
2.1 军用梁平台实际构造简化
军用梁为销接刚结构，标准三角及端构架单元内部焊接，单元与单元之间为销接。

若只考虑主要杆件受力可将其简化为完全铰接形式，且其力学行为与实际模型也较为贴近。

对于销结结构，其内力分布同桁架结构，其控制内力为杆件的轴力。

因此，若忽略销孔位移和非弹性变形可将其简化为铰接。

军用梁平台采用直接拼装的方法进行施工，在模拟拼装过程中，边界条件简化为一般支撑，将施工过程分为7个阶段，通过MIDAS/CIVIL的“激活”、“钝化”功能将以上约束条件在某一施工阶段激活或钝化，来实现真实模拟该施工阶段的边界条件。

吊装过程在模拟中不考虑。

2.2 劲性骨架实际构造简化
拱肋劲性骨架的拼接是在军用梁平台上直接完成的。

由于平台强度、刚度都比较大，在进行荷载模拟时，直接简化为上部均布荷载，不再考虑施工荷载。

上部荷载包括模板和劲性骨架的自重。

2.3 混凝土浇筑过程的简化
拱肋劲性骨架拼装完成后，将军用梁平台进行拆除。

混凝土浇筑在骨架上进行施工，骨架在拱脚处的采用一般约束，浇筑过程采用四环六面法。

将混凝土截面分成四层进行模拟计算，而考虑钢管混凝土是一种组合结构，分别按钢和混凝
土构件进行截面特性计算，最后两者叠加方法是把钢管和管内核心混凝土作为两个平行杆件来计算，不考虑两者的联合作用，该计算理论相对成熟。

（见图2）
2.4 立柱和桥面荷载的简化
在混凝土浇筑完成后，在结构上添加上立柱模型。

然后将桥面结构简化成均布荷载施加到结构模型上，行车荷载及其他荷载按铁路桥梁规范最后添加到模型上。

3 模型结果分析
3.1 军用梁平台模型刚度和强度分析
军用梁平台采用直接拼装法，缆索采用Strand1860。

平台加载上模板和拱架要进行整体验算，将模板拱架简化为粱单元均布力，值为0.5ton/m2。

而钢拱架同样简化为梁单元均布力，值为1.5ton/m2。

整个施工过程分为7个阶段，平台加载上模板和拱架要进行整体验算。

通过对模型各阶段应力和位移的计算，与加强型六四式铁路军用梁基本杆件的断面特性和承载能力比较，无论是应力还是位移均未超出相应控制值。

可以得到结论：军用梁平台拼装过程是安全的。

3.2 军用梁平台模型受压杆件稳定性分析
由于军用梁平台受压杆件的计算长度比较大，必须对杆件的稳定性进行验算分析。

另外，杆件除了承受轴向力外同样承受建立的作用，所以有必要对各阶段的剪力进行分析。

表格1、2、3是军用梁平台模型受压杆件稳定性及剪力分析结果。

其中，表2为各阶段杆件N1和N6所受最大压力和对应应力统计结果，由σ=N/（ΦA）<f=215N/mm2受力杆件在各阶段都满足稳定性要求。

由结果分析知军用梁平台模型受压杆件稳定性上符合规范要求，各杆件剪力也在杆件承载范围内。

3.3 混凝土浇筑过程施工模型计算分析
在MIDAS中各施工阶段模拟后，最后施工阶段梁单元应力如图3所示。

将MIDAS的计算结果处理分别筛选出正应变、切应变最大的杆件，得出以下结论：
（1）杆件最大组合应力出现在浇筑第三环混凝土时，大小为278MPa，不超过Q345钢材的容许值。

（2）结构最大的形变量为6.3cm，相对于140m的跨度来说，相对形变仅为1/2220，形变量很小，对使用阶段产生的影响很小。

（见表4）
3.4 桥面荷载基于MIDAS软件的仿真模拟和计算
本模型中桥面荷载主要包括2个车道荷载、1个车辆荷载即我国现行铁路标准荷载“中-活载”以及1个移动荷载工况。

模型计算结果如下：（1）施加桥面荷载后的梁单元的变形X=6.472×10-3m，Y=2.93×10-3m，变形相对与全长已经可以忽略不计。

（2）运营阶段主要杆件组合应力均在Q345钢材应力容许值范围内。

4 结束语
利用军用梁平台进行铁路劲性骨架混凝土拱桥的施工，能够实现结构简单、拼组方便、适应性强、机械化作业程度要求低等优点。

另外，结构的强度和刚度能很好的满足实际要求，并且拱桥骨架的精度有明显的提高，在实际施工中有着独特的优势。

在综合效益上也有一定的竞争力。

军用梁平台的使用在铁路劲性骨架混凝土拱桥施工中被广泛使用，文章对该方法做了详细的分析并得到一些结论，但仍有许多方面需要进一步研究：（1）文章仅在理论模型范围内做了一些分析，有些东西跟实际是有偏差的，例如军用梁平台的横向连接就进行了一定简化。

（2）文章没有考虑拉索滑轮的影响，在MIDAS不能很好的将其模拟出来。

另外，拱脚约束由于拱桥的跨度并不是太大，直接固结对结构的分析是有一定影响的。

（3）文章阶段施工过程中，荷载的施加有些地方存在争议，对最后结论得出尚存在一定影响。

因此需要更深层次的了解实际施工过程，对模型进一步完善，有限元计算工具需要深入研究，才能更好的对当前的实际工程进行指导。

参考文献
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