高速铁路（90+200+90）m连续刚构拱拱肋施工方法研究

傅安民

中国铁路设计集团有限公司，天津300308

在桥梁工程中，不同的施工方法对应的结构体系、荷载类型和受力特点各不相同，因此桥梁设计时应对成桥后的结构进行验算，还须考虑相应施工方法，以便准确模拟桥梁施工阶段和运营阶段的结构体系和受力特点，保证桥梁施工安全与健康运营。大跨度连续刚构拱桥拱肋的施工方法主要有支架施工法和转体施工法。文献［1］对竖向转体法拱肋架设、拱肋混凝土泵送顺序等主要施工过程进行了研究。文献［2］提出了一种新型钢-混凝土组合拱桥的竖向转体体系，并对其关键部位进行了受力分析。文献［3］详细阐述了钢管拱竖向转体施工方案、安装方法及同步提升竖向转体施工的控制要点。文献［4］对采用贝雷架体系搭建不同结构形式的拱肋支架方案进行了优化和研究。文献［5］对施工过程中钢管拱肋支架的搭设安装、钢管拱肋混凝土的灌注与拱肋支架拆除的施工顺序进行了研究。文献［6］介绍了桥面少支架法施工工艺、施工步骤和施工控制要点。文献［7］提出了大跨度简支拱支架施工法的施工方案设计。文献［8］对一座钢管混凝土拱桥施工方法构建了以成本、工期、技术可行性、施工条件、环境保护五大因素为评价指标体系的层次评价模型，确定了缆索吊装法为相对较优的施工方案。文献［9］提出了先支架拼装再竖向转体合龙的方案，通过方案比选，采用单拱肋和双拱肋单元整体吊装相结合的缆扣法施工方案。文献［10-11］从施工安全性、施工工期、可靠性、经济性、现浇支架的受力性能和保证拱肋节段拼装精度、线形控制等方面确定了竖向转体法为较优的施工方案。文献［12］对比分析了支架拼装和竖向转体两种方法在施工过程中的内力、应力及竖向位移。

上述文献主要对拱肋某一种施工方法的施工技术、施工步骤、关键部位受力进行研究，或从施工安全性、技术可行性、经济性等对拱肋施工方法进行对比研究，而关于支架施工和竖向转体施工方法对拱肋混凝土和拱肋钢管受力、变形的影响分析较少。

本文以一座高速铁路大跨度连续刚构拱为例，采用MIDAS/Civil模拟施工过程，对支架施工和竖向转体拱肋施工方法下施工阶段和运营阶段拱肋混凝土和拱肋钢管的内力、应力、位移进行对比分析。

1 工程概况

一座高速铁路桥梁在景德镇内跨越昌江，主桥上部结构类型为（90+200+90）m预应力混凝土连续刚构与钢管混凝土拱组合结构。设计速度350 km/h，ZK活载，双线线间距5 m，轨道结构形式为CRTSⅠ型双块式无砟轨道，位于直线-9.5‰～7.5‰的纵坡上。环境类别为碳化环境，作用等级为T2级，年平均相对湿度78%。桥址处地震设防烈度Ⅵ度，地震动峰值加速度0.05g。采用先梁后拱的施工方法，即在主梁挂篮悬臂浇筑施工完成后再进行拱肋的施工。主桥桥型布置如图1所示。

图1（90+200+90）m连续刚构拱桥型布置（单位：m）

主梁采用单箱双室变高度直腹板箱形截面，中支点处梁高11.5 m，边跨直线段和跨中直线段梁高5 m，梁底下缘按二次抛物线变化。主梁顶宽一般段13.2m，中支点处考虑拱脚影响，主梁顶宽线性变化为15.9 m，底宽均为10.8 m。主墩采用双肢薄壁墩，为普通钢筋混凝土结构，双肢薄壁墩中心间距6.4 m，壁厚2.0 m，2#、3#墩墩高均为27 m。拱肋采用竖直平行钢管混凝土哑铃拱（图2），从桥面开始起拱，两拱肋中心距11.9 m，拱肋立面矢高40 m，计算跨度为200 m，矢跨比为1/5，拱轴线为二次抛物线。拱肋高3.3 m，拱肋钢管直径1.2 m，壁厚为20、24 mm，腹板壁厚16 mm。拱肋钢管及腹腔内灌注混凝土。拱肋间设置11道桁架式横撑，横撑为空钢管，内部不填充混凝土。吊杆采用整束挤压钢绞线，吊杆纵向间距9.0 m，共设20对纵向双吊杆。拱脚横向宽1.9 m，横向两侧边缘距离拱肋钢管0.35 m。

图2（90+200+90）m连续刚构拱拱肋布置（单位：cm）

2 有限元模型

采用有限元软件MIDAS/Civil进行模拟计算，全桥共划分为1 893个单元，1 338个节点。主梁、桥墩、承台、拱脚、拱肋、横撑各杆件均采用三维梁单元进行模拟。拱肋采用哑铃形截面，钢管内部填充混凝土，采用双单元、共节点的方法模拟钢管混凝土拱肋。吊杆采用桁架单元模拟，仅考虑轴向的拉伸刚度。

主梁、拱脚均采用C60混凝土，拱肋采用C55自密实补偿收缩混凝土，主墩墩顶以下2.2 m范围采用C60混凝土，并同主梁一起浇筑，其余部分采用C50混凝土。拱肋钢管、横撑采用Q345qD钢材，吊杆采用整束挤压钢绞线吊杆。主梁、拱肋混凝土、主墩、拱脚、拱肋钢材的重度按结构实际重量进行换算，分别取26.5、24.0、27.0、29.1、95.2 kN/m3，弹性模量、泊松比及其余结构的重度均按TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》相关要求考虑。主梁、拱肋混凝土收缩徐变按JTGD62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算，其中主梁相对湿度根据气象资料取78%，拱肋混凝土相对湿度考虑所处环境予以折减，取90%。

主梁与吊杆之间，拱肋与横撑之间的连接均采用弹性连接中的刚性连接进行模拟，主梁与主墩之间的连接采用主从节点约束模拟。主墩承台底采用六自由度的节点弹性支承来模拟桩-土相互作用。

3 拱肋施工方法模拟

在MIDAS/Civil中模拟大跨度连续刚构拱桥拱肋支架施工和竖向转体施工，并选取拱脚、拱肋变截面（距拱脚6 m处）、1/4跨和拱顶四个位置的内力、应力及位移进行对比分析。

3.1 支架施工法

①施加桥面临时荷载阶段，模拟拼装拱肋用支架重量；②拱肋钢结构安装阶段，仅模拟拱肋在支架上全部焊接完成后的状态；③施加拱肋混凝土湿重阶段，模拟泵送拱肋混凝土过程，但混凝土还无法承受外荷载作用；④拱肋混凝土成型阶段，模拟拱肋混凝土成型后能承受外荷载的状态；⑤拱肋支架移除阶段，模拟移除拱肋支架的过程，即钝化拱肋节点弹性支承及拱肋支架重量。

3.2 竖向转体法

①施加桥面临时荷载阶段，模拟拼装拱肋用临时支架及拱肋钢管、横撑等重量；②拱肋钢结构安装阶段，仅模拟拱肋竖向转体并合龙后的拱肋就位状态，省略了拱肋竖转、合龙等过程；③施加拱肋混凝土湿重阶段，模拟泵送拱肋混凝土过程，但混凝土还无法承受外荷载作用，同时钝化拼装拱肋用临时支架重量；④拱肋混凝土成型阶段，模拟拱肋混凝土成型后能承受外荷载的状态。

4 施工阶段拱肋施工方法分析

取拱肋钢结构安装、施加拱肋混凝土湿重、拱肋混凝土成型、拱肋支架移除等施工阶段进行拱肋施工方法分析。考虑到拱肋施工是较为靠前的一个施工阶段，后续施工阶段拱肋受力是否会受拱肋施工方法的影响还须进一步研究。因此，增加吊杆张拉结束阶段即安装吊杆D10阶段，对比分析拱肋钢管和拱肋混凝土的内力、应力及位移。

4.1 内力对比

4个施工阶段结构内力对比分别见表1—表4。表中轴力以受拉为正，受压为负；弯矩以截面下缘受拉为正，截面下缘受压为负。

表1 拱肋钢结构安装阶段内力

表2 施加拱肋混凝土湿重阶段内力

表3 拱肋混凝土成型阶段内力对比

表4 安装吊杆D10阶段内力

由表1—表4可知：①由于拱肋钢结构安装阶段及施加拱肋混凝土湿重阶段支架施工法有拱肋支架支承，拱肋钢管的轴力和弯矩均较小，而竖向转体法中拱肋钢管须承担自重及拱肋混凝土湿重，拱肋钢管的轴力和弯矩均较大。②在拱肋混凝土成型阶段，采用支架施工法时拱肋钢管除拱顶处弯矩比竖向转体法时略大外，其余位置轴力和弯矩均比竖向转体法时小。该阶段两种施工方法的拱肋混凝土轴力和弯矩均较小，差异不大。③在安装吊杆D10阶段，采用支架施工法时拱肋混凝土除1/4跨处弯矩比竖向转体法时略小外，其余位置的轴力和弯矩均比采用竖向转体法时大，而拱肋钢管除拱顶处弯矩比竖向转体法时略大外，其余位置的轴力和弯矩均比采用竖向转体法时小。

综上，采用支架施工法时，拱肋混凝土和拱肋钢管能更均匀地分担外荷载作用。采用竖向转体法时，拱肋钢管的内力较大，而拱肋混凝土的内力较小。

4.2 应力对比

4个施工阶段结构应力对比分别见表5—表8。表中应力以受拉为正，受压为负。由表5—表8可知：两种拱肋施工方法下，拱肋钢管和拱肋混凝土应力规律与内力规律相似。①采用支架施工法时，在拱肋支架移除前的拱肋混凝土成型阶段，除拱脚附近拱肋钢管应力达到3 MPa外，其余位置拱肋钢管应力均不到2 MPa，拱肋混凝土应力很小，可忽略不计。在安装吊杆D10阶段中，拱肋钢管和拱肋混凝土的应力均有所增大，拱肋钢管上下缘压应力最大值分别为35.2、60.9 MPa，发生在拱顶和拱脚位置。拱肋混凝土上下缘压应力最大值分别为4.8、8.1 MPa，发生在拱顶和拱脚位置。②采用竖向转体施工法时，在拱肋混凝土成型阶段，拱肋钢管的应力较大，拱肋钢管上下缘压应力最大值分别为78.3、120.0 MPa，发生在1/4跨和拱脚位置。拱肋混凝土的应力较小，可忽略不计。在安装吊杆D10阶段中，拱肋钢管和拱肋混凝土的应力仍有增加，拱肋钢管上下缘压应力最大值分别为79.1、131.0 MPa，发生在1/4跨和拱脚位置。拱肋混凝土上下缘压应力最大值分别为2.0、1.7 MPa，发生在拱顶和拱脚位置。

表5 拱肋钢结构安装阶段应力 MPa

表8 安装吊杆D10阶段应力对比 MPa

综上，采用支架施工法时，拱肋混凝土和拱肋钢管之间的应力分布比竖向转体法时更均匀，拱肋混凝土应力比采用竖向转体法时略大，而拱肋钢管的应力比采用竖向转体法时小。

表6 施加拱肋混凝土湿重阶段应力 MPa

表7 拱肋混凝土成型阶段应力对比 MPa

4.3 位移对比

主要施工阶段拱顶竖向位移见表9。表中位移向上为正，向下为负。可知，拱肋混凝土成型后竖向转体施工法的拱顶位移是支架施工法的2.4倍。在安装吊杆D10阶段，两种拱肋施工方法的拱顶位移均有所增加，竖向转体法拱顶位移是支架施工法的1.9倍。

表9 主要施工阶段拱顶位移对比 mm

5 运营阶段拱肋施工方法分析

为分析两种拱肋施工方法对运营阶段拱肋受力的影响，取施工完二期恒载后30年即“运营30年阶段”恒载作用下拱肋钢管和拱肋混凝土的内力、应力及位移进行对比。

运营30年阶段内力对比见表10。可知，运营阶段受二期恒载施工、混凝土收缩徐变的影响，两种拱肋施工方法的内力差异与施工阶段有所不同。在运营30年阶段，采用支架施工法时拱肋混凝土轴力比采用竖向转体法时略大，弯矩比采用竖向转体法时小（拱顶除外），而拱肋钢管轴力比采用竖向转体法时小，拱肋钢管弯矩除1/4跨和拱顶位置支架施工法比竖向转体法时略大以外，其余位置均比竖向转体法时小。

表10 运营30年阶段内力对比

运营30年阶段应力对比见表11。可知：①采用支架施工法时，拱肋钢管上下缘压应力最大值分别为77.2、91.0 MPa，发生在拱顶和拱肋变截面位置。拱肋混凝土上下缘压应力最大值分别为3.7、4.0 MPa，发生在拱脚和拱肋变截面位置。②采用竖向转体施工法时，拱肋钢管上下缘压应力最大值分别为104、147 MPa，发生在拱顶和拱肋变截面位置。拱肋混凝土上下缘压应力最大值分别为3.2、2.2 MPa，发生在拱脚和1/4跨位置。

表11 运营30年阶段应力对比 MPa

运营阶段与施工阶段的应力变化规律一致。采用支架施工法时拱肋混凝土应力比采用竖向转体法时大，而拱肋钢管的应力比采用竖向转体法时小。由于两种拱肋施工方法的拱肋混凝土应力均不大，且混凝土压应力可以抵消运营阶段活载产生的拉应力，所以运营阶段恒载作用下拱肋混凝土压应力越大对结构越有利。而竖向转体法的拱肋钢管压应力已达到钢材基本容许应力的70%，考虑运营阶段活载还将产生压应力，所以运营阶段恒载作用下拱肋钢管压应力越小对结构越有利。因此，从拱肋受力方面考虑，支架施工法比竖向转体法更有优势。

运营30年阶段采用拱肋支架施工法和竖向转体法的拱顶竖向位移分别为-67.4、-99.1 mm，采用竖向转体法的拱顶位移为采用支架施工法的1.5倍。

6 结论

1）在拱肋施工阶段，采用支架施工法时拱肋混凝土轴力和弯矩均比采用竖向转体法时大，而拱肋钢管的轴力和弯矩均比采用竖向转体法时小。在运营阶段，采用支架施工法时拱肋混凝土轴力比竖向转体法时大，弯矩除拱顶位置比竖向转体法时略大以外，其余位置均比竖向转体法时小，而拱肋钢管轴力比采用竖向转体法时小，拱肋钢管弯矩除1/4跨和拱顶位置支架施工法比竖向转体法时略大以外，其余位置均比竖向转体法时小。

2）在拱肋施工阶段和运营阶段，采用支架施工法时拱肋混凝土应力均比采用竖向转体法时大，而拱肋钢管的应力比采用竖向转体法时小。

3）在拱肋施工阶段和运营阶段，采用竖向转体法的拱顶位移均比采用支架施工法时大，竖向转体法的拱顶位移分别是支架施工法时的2.4倍和1.5倍。

4）从拱肋受力及变形方面考虑，支架施工法比竖向转体法更有优势。