大跨度钢结构拱桥承载能力与施工控制研究

大跨度钢结构拱桥承载能力与施工控制研究

姓名：陈濡森

单位： 珠海航空城工程建设有限公司

摘要:随着我国经济水平的日益提高，工程建设的规模逐渐增大，大跨度钢结构技术是桥梁工程建设中最常使用的施工技术，但该技术在实际应用中依然存在一定的风险。大跨度钢结构能够满足不同大型建筑的需求，主要有以下几个原因:美观的造型、高强度的跨越能力、良好的景观效应、独特的优势。因此，为了我国交通运输业的稳定发展，务必投入人力、物力研究和探索大跨度钢结构技术，使其在桥梁工程的建设中发挥更大的作用。于此，文章探索并研究了大跨度钢结构桥梁施工技术，可为今后桥梁工程建设提供一定的参考借鉴。

关键词:大跨度钢结构;恒载索力;几何非线性;极限承载力

一、大跨度钢结构桥梁施工技术案例

金岛大桥为珠海航空产业园滨海商务区市政配套工程二期中的一座桥梁，该桥位于金岛路上，跨越主排洪渠，桥梁起点为KC0+132.00，桥梁终点为KC0+232.00。金岛大桥桥孔布置为1×100m，采用非对称异形拱桥结构形式。上部结构概述；本桥为跨径100m的非对称异形拱肋拱桥，桥梁位于直线段内，凸型竖曲线半径为R=2700m。拱肋采用钢箱截面，断面尺寸为2.8×2.8m。主梁为钢—混凝土组合梁结构。由箱型纵梁、横梁、小纵梁组成的纵横体系，其上设混凝土桥面板。吊杆采用环氧涂层钢绞线成品吊杆。为保证施工监控计算数据的准确性，本项目拟采用成熟的有限元软件进行计算，不同计算人员之间相互复核计算成果。本监控项目采用的计算软件见表6.1。其中，利用MIDAS/Civil软件建立空间模型，进行施工过程仿真计算、结构安全验算，局部构件分析采用ANSYS分析软件进行。

表1拟投入的计算软件

1.1大跨度钢结构拱桥施工模拟计算的有关问题

1.1.1大跨度钢结构拱桥设计计算的校核与施工控制预测计算

施工控制在实施时的第一步工作是要形成控制的目标。

施工控制的预测计算首先将采用设计计算参数对施工过程进行分析，计算出控制目标的理论值。理论值由主梁理论挠度、主梁理论轴线、主梁截面理论应力、吊索理论索力等系列数据组成。

按照设计图纸进行施工监控总体计算，并与设计计算主要结果进行相互校核，以确保控制的目标不与设计要求失真。

由于桥梁的设计和施工中存在着这两种既不相同又相互联系的计算过程，并且在实际工作中这两类计算可能采用不同的计算模型，由不同的单位来完成，因此，为达到使施工控制能按设计意图指导的施工，并最终满足设计预期的理想状态，首先要校核设计计算与施工控制计算的闭合性。其校核过程如图6.1所示。只有在两者计算结论基本一致的前提下，施工控制的开展才有实际意义。否则，需要监控人员与设计人员一起仔细核对两种计算过程，找出并解决存在的问题。

1.1.2大跨度钢结构拱桥施工控制计算

施工控制计算中将采用尽可能真实的参数和工序用于计算，比如：材料的弹性模量、临时荷载重量、施工顺序、施工时间等。

大桥的施工控制计算分成两个阶段进行：

第一个阶段就是计划工作阶段，这个阶段主要是考虑实际确认的施工步骤（过程）、方法、临时结构、临时施工荷载等与原设计有许多的不同，所以要做更接近实际的模拟，并根据计算结果对张拉索力等进行合理的调整，最后根据本阶段的计算结果提出钢主梁及吊索无应力制造尺寸，安装预测位置。

第二个阶段是现场实时计算阶段，这个阶段的主要工作是在前一个阶段工作的基础上，跟随着施工过程的进行，根据现场的实测参数、误差分析结果等对模型进行修改，并对现场的施工目标进行必要的调整。合理成桥状态的确定；在本桥的结构计算中，确定成桥目标状态和施工目标状态是两项至关重要的工作，通常是先确定成桥目标状态，然后以成桥目标状态为基础根据施工工序确定各施工目标状态。常用的确定合理成桥状态的方法有刚性支撑连续梁法、应力平衡法、弯曲能量最小法等，本桥将综合采用多种方法确定。在确定成桥索力时，应考虑以下问题：（1）恒载索力分布要尽量均匀。（2）恒载状态，主梁弯矩应与活载效应的弯矩方向相反，在数值上接近于活载最大效应值与最小值代数和的一半，这样能使荷载组合时，弯矩包络图的中心线接近于零，有利于充分利用材料的强度。（3）在恒载作用下，拱肋的弯矩不能太大，并适当考虑活载的影响。在恒载状态下，两倾斜钢拱肋宜向跨中方向有一定的预偏。（4）荷载组合作用下，拱肋及主梁的应力包络图宜尽量平坦，不应有较大突变，最大、最小应力均需在规范允许地范围内且有一定的安全储备。（5）支座反力在恒载下要有足够的压力储备，在活载及成桥阶段其他荷载作用下不出现负反力。（6）成桥状态桥面线形平顺，且满足设计要求。

1.2钢箱梁制造线形计算；

对钢主梁而言，由于主梁节段间的转角调整受焊缝宽度等因素的影响，其调整量非常有限。为了保证节段间精确匹配及主梁达到设计线形，需准确计算主梁的制造线形，即主梁的无应力线形。主梁制造线形计算步骤如下：（1）按照设计线形进行有限元分析，然后根据设计院提供的成桥索力进行一次成桥计算，得出结构初步线形及索力；（2）进行施工拱肋和吊索张拉过程计算分析，按照拟定的控制方法进行拱肋脱架、吊索张拉、主梁脱架、吊索索力调整达到桥面成桥线形过程计算。取活载的一半的反拱值确定钢主梁制造线形，按照主箱梁设计线形进行调整，采用倒装分析，得出吊索逐对张拉下各施工阶段线形及索力；（3）将主梁制造线形带入原始模型进行正装，按照步骤（2）的控制计算方法，得到结构线形及索力，作为吊索无应力索长的计算参数。

1.3吊索下料长度；

吊索是本桥的重要受力构件之一，精确地计算吊索下料长度对于顺利、安全地施工是非常重要的。索长太长则安装过程中必须加垫块进行处理，不利于局部受力；索长太短则根本无法安装。在计算下料长度的时候，需充分考虑吊索垂度、材料弹性模量等修正。参照图3，吊索的下料长度(端到端)：

Lo=L1+（t1+t2）/2+h1+h2（6.1）

L1=LC-△Le+△Lf（6.2）

式中：△Le——弹性伸长量，△Lf——垂度影响的伸长量。

考虑将张拉和锚固端的螺母都放置在锚杯的1/2处，t1、t2、h1、h2由制造厂家给定，参照相关锚具资料对数据进行校核。

图3吊索下料长度示意

求解索导管端部中心点之间索的无应力长度，计算方法如下：

由吊索两端锚点的坐标可以求出直线段的长度LC，但实际的拉索在自重作用下是一条曲线，设曲线段的长度为S。

图4吊索实际受力示意

弹性伸长量：△Le=TLC/(EA)(6.3)

垂度影响的伸长量：△Lf=S-LC(6.4)

在轴向力T及自重作用下，吊索呈现为悬链线形状（图6.3）。拉索的垂度较小时，可用抛物线代替悬链线。抛物线的弧长为：

S=LC+8(fm)2/(3LC)(6.5)

于是：△Lf=S-LC＝8(fm)2/(3LC)(6.6)

由外力弯矩平衡可得：

fm＝Lc2qcosα/（8T）(6.7)

将(式4-6)代入(式4-7)得：

△Lf=LC3q2cos2α/（24T2）(6.8)

因此，吊索的无应力长度为：

L1=LC-△Le+△Lf(6.9)

1.4吊索施工张拉力计算；

为了使成桥后的结构内力和线形达到预先确定的理想状态，必须确定各施工阶段吊索的张拉力和张拉顺序。

本次监控中，原则上以设计索力为基础，根据施工控制计算的应力与线形结果，对索力进行合理的调整，在调整索力时应考虑以下因素：拱肋线形：拱肋偏位应满足控制目标线形的要求；主梁线形：线形应尽量平顺，避免凸起和折角；拱肋应力：尽量优化拱肋应力；吊索索力：尽量在规范规定容许应力范围内调整；主梁应力：调索时应特别注意主梁关键断面的应力水平；支座反力：避免出现主梁支座负反力（拉力）；施工步骤：尽量采用施工单位提出的施工步骤，不对施工步骤进行大的调整。

1.5大跨度钢结构拱桥主梁安装线形计算

主梁的安装线形计算就是根据实际施工顺序和施工荷载情况，计算各施工阶段和成桥活荷载的结构变形，并据此计算相应吊索张拉阶段主梁各部分的高程。由于施工过程中实际的吊索张拉力、施工荷载条件如桥面吊机重量、支点位置等，以及实际结构参数如主梁重量、刚度和材料弹模等均可能与初始计算的预定值不同，因此必须在施工控制中根据实际条件、并结合施工监测系统的反馈结果对模型进行修正后，才能用于后续工况的安装线形计算。

1.6大跨度钢结构拱桥拱肋及临时结构计算

大桥为三拱肋空间异型结构，拱肋上锚点存在横向倾角。拱肋的计算主要是包括两个方面的内容：（1）根据拱肋安装施工方案，进行拱肋施工过程模拟计算，确保拱肋合拢时符合设计线形。（2）针对拱肋安装过程中最不利状态，进行稳定性分析，确保拱肋施工安全。（3）模拟支架卸架过程，提出卸架建议。临时结构的计算，主要是获得临时结构与主体结构的相互作用关系，并由此获得施工过程中主体结构的部分计算边界条件。对于拱肋及临时结构计算，采用有限元程序，建立空间有限元模型进行计算，并相互校核。

二、大跨度钢结构拱桥极限承载力参数分析（这部分内容需要厘清思路，紧扣金岛大桥实际）

2.1拱脚边界条件的影响

边界条件的不同将直接影响结构的力学性能。对于钢结构拱桥不产生弯矩，锚固构造简单及受力明确，在工程实际中广泛被运用。但考虑铰接约束与基础的连接，需要采用大型支座,这对支座的受力和后期的养护都有很大的考验；同时从拱助的受力性能来看，铰接约束必然会降低拱助结构的整体刚度。

2.2大跨度钢结构拱桥极限承载力分析

2.2.1非线性因素对大跨度桥梁结构内力和变形的影响

在钢衍架拱桥中，当结构杆件进入塑性状态时，钢结构拱桥就会存在截面的应力重分布和杆件长度方向的内力重分布现象。对于大跨度大跨度桥梁结构，受几何非线性影响较大，不能忽略轴力在竖向烧度方向产生的附加弯矩作用。因此应该考虑材料非线性和几何非线性对结构内力和变形的影响.为了分析非线性因素对金岛大桥结构内力和变形产生的影响，下面分别就单倍恒载作用下和倍恒载（考虑双重非线性影响下得到的极限荷载值）作用下根据三种不同的分析方法所得到的内力和变形结果进行分析比较。具体计算结果如下表图所示

表5单倍恒载作用下不同分析方法所得变形、内力的比较表

2.2大跨度钢结构拱桥荷载要素对承载力的影响

大跨度桥梁结构的极限承载力不仅与自身的力学特性有关，还与所受的外荷载要素有关。荷载要素主要是指荷载的布置以及荷载形式，不同的荷载形式与布置形式，不仅会影响结构的承载力大小，而且还会在加载的过程中影响结构的破坏发展过程以及最终的破坏形式。因此，很有必要来研究荷载要素对结构极限承载力的影响。根据大跨度桥梁结构设计中常用的荷载形式，研究不同布置形式下的集中荷载和均布荷载对钢

衍结构拱桥极限承载力的影响，以及不同风速下的横向静风荷载对结构极限承载力的影响。

2.3横向风荷载

风灾是自然灾害中发生最频繁的一种，给人类带来的各种损失也是惨重的。年秋，美国华盛顿的悬索桥在级大风作用下发生强烈的风致振动而破坏。这一重大事故使桥梁工程师们幵始重视风的作用问题。此后，国内外的专家学者们对桥梁的抗风稳定性开展了广泛的研究，现在已基本清楚风致桥梁失稳主要表现形式有两种，一种是颤振、驰振、抖振和祸激共振作用下的动力失稳，另一种是空气静力失稳。由于大跨径桥梁动力失稳临界风速一般都低于静力失稳临界风速，导致桥梁界对大跨径桥梁的空气静力失稳问题未给予足够重视。与动力失稳相比，静力失稳发生前没有任何先兆，突发性强，因而破坏性更大，因此研究静风荷载对桥梁极限承载力的影响很有必要。由于风荷载实际是动态的，并不是静态的。随着大跨度桥梁结构的变形，作用在桥梁上的也在不断变化，所以准确模拟风荷载的大小、方向是十分困难的。所以本文中仅考虑所受的横向静风荷载，静风荷载大小依据规范《公路桥梁抗风设计规范》（—计算而来，详细的计算过程在这里不做赘述。

2.4结构设计参数对承载力的影响

结构设计的目的，就是要使所设计的结构，在规定的时间内能够具有足够可靠性的前提下，完成全部预定功能的要求。所以了解结构设计参数对其极限承载能力的影响，就可以合理选择结构用材，设计有效的结构形式，按最经济美观适用的原则来尽可能的提高大跨度桥梁结构的安全储备。从而全面实现桥梁设计“安全、适用、经济、美观”的功能要求。本文通过采用不同的钢材种类来实现该目标。

三、大跨度钢结构拱桥稳定与极限承载力理论基础

3.1结构稳定理论旳发展

力学当中稳定问题是一个重要的分支，证实了采用欧拉稳定理论的临界值会过高的估计其承受的临界荷载值，并且这类失稳问题还不能用分支点失稳的概念来进行解释，针对这种情况，他们分别引入了稳定理论的极值点失稳的观点和失稳过程中发生的跳跃现象。结构失稳必然伴随着结构比较大的变形，近代随着科学技术的不断进步，人们对非线性因素对结构稳定影响的认识越加深刻。通过理论研究和试验数据表明，在结构的稳定分析中，只有考虑几何非线性和材料非线性本构关系，才能使复杂的稳定问题更加真实深入的被揭示。

3.2结构在静力作用下的两类失稳问题

结构的失稳是指在外力增加到某一定值时，结构的稳定性平衡状态开始逐渐丧失，稍有扰动，变形会迅速增大而使结构无法继续正常工作的现象。在桥梁工程中，总是要求结构在各个方向上都是稳定的，才能保证其稳定平衡。拱桥的失稳问题从空间失稳模态可分为面内失稳和侧向失稳两类问题，而从失稳的性质上可分为分枝点失稳和极值点失稳。分枝点失稳（又叫第一类稳定问题），从数学的角度来看，即荷载与变形关系特征曲线是一条不连续的图形，特定的临界荷载与不连续的点相对应。荷载达到某一值时，将要发生平衡形式的分枝，使原来的平衡形式成为不稳定的平衡形式，而开始出现新的、有本质区别的平衡形式，即变形情况与受力状态都随着平衡形式的转变而发生质的变化。在数学处理上就是求解特征值问题，所以第一类失稳问题的分析也称为特征值屈曲分析。结构失稳时，通过求解特征值所得到的荷载可以称为临界荷载、平衡分枝荷载、屈曲荷载或者压屈荷载。应该强调的是只有理想结构才会产生分枝点失稳，即假定结构失稳时是处于线性小挠度变形范围内。极值点失稳（又称第二类稳定问题），从数学的角度看，即荷载与变形关系特征曲线是一条连续的图形，存在极值点。极值点失稳只有平衡稳定性状态的变化，没有工作状态的变化，不会出现新的变形形式，即平衡状态不发生质变。结构失稳时，对应的荷载称为极限荷载或压溃荷载。实际工程结构由于制造、运输、安装等原因不可避免地存在一些初始缺陷，如初始弯曲、残余应力及荷载作用位置的偏差等，因此大多数结构的失稳问题属于极值点失稳。

3.3强度、稳定、极限承载力三者的关系

强度问题是找出结构在稳定状态下荷载引起某截面的最大应力，看是否超过材料的极限强度，它的前提为结构所处的平衡状态是稳定的，因此是应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的标准强度，对钢材则常取它的屈服强度。稳定问题与强度问题有本质区别。稳定问题就是要找出结构在外荷载与其内部抗力之间的不稳定平衡状态，从而设法避免结构不稳定平衡状态的发生，即稍微干扰下，结构的变形就开始急剧增长的平衡状态，因此是变形问题。而结构的变形取决于结构自身的刚度，因此结构发生失稳时，主要由于下面两种情况引起的：①在外荷载作用下，因自身刚度不足所导致的结构失稳，是大变形的第二类弹性稳定问题；②在外荷载作用下，结构本身强度限制而引发结构自身刚度的降低，最终导致结构的失稳，即材料塑性屈服的第二类弹塑性稳定问题。极限承载力的问题，在桥梁中是指对应于结构、结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。当结构或结构构件出现下面状态之一时，即可认为超过了结构的极限承载能力极限状态：①结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如滑动、倾覆等；②结构、结构构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不能继续承载；③结构转变为机动体系；④结构或结构构件丧失稳定，如柱的压屈失稳等。足以可见，强度、稳定与极限承载力三者之间并不是绝对独立的，它们之间存在着必然的联系。

3.4大跨度桥梁结构极限承载能力分析的有限元法

大跨度桥梁结构所能承受外荷载的最大能力即为大跨度桥梁结构的极限承载力。通过大跨度桥梁结构的极限承载力分析不仅可以用于指导结构的极限设计，还可以使我们清楚认识到结构的失效路径和破坏形式，从而明白结构在设计荷载下的安全备和超载能力，为结构的施工安全和正常使用提供帮助。在大跨度桥梁结构中是通过不断增加设计荷载来进行极限承载力分析，在加载的过程中同时考虑几何非线性和材料非线性，一直加载至结构失效破坏。

3.5几何非线性计算理论

几何非线性就是放弃小位移假设，从几何上严格分析单元体的尺寸、形状变化，得到非线性的几何运动方程，由此造成基本控制方程的非线性问题。其特点是几何运动方程为非线性，平衡方程建立在结构变形后的位置上。结构刚度除了与材料及初始构形有关外，还与受载后的应力、位移状态有关。几何非线性理论一般可以分为大位移小应变即有限位移理论和大位移大应变理论即有限应变理论两种。桥梁工程中的几何非线性问题一般都是有限位移问题。对于连续钢桁架拱梁组合体系的桥梁，主拱拱脚约束采用一侧铰接，一侧滑动对提高结构承载能力更有帮助。当涉及到设置大吨位支座时，在桥梁所处地质条件允许情况下，可以考虑固结的支撑体系。不对称均布荷载布置形式，特别是半跨满布均布荷载作用下，对桥梁的极限承载能力影响很大，在桥梁设计中应加以注意。钢桁架拱桥中材料强度对其极限承载力有明显的递增关系，在满足受力安全的情况下，选用材料时还应严格考虑经济性这一功能要求，以免造成不必要的浪费。在钢桁架拱桥腹杆布置形式与拱顶处桁架高度变化中，最终影响的是拱助的面内刚度，对于全桥极限承载力而言是受拱助面内刚度与面外刚度共同影响，单方面提高拱助面内刚度对钢桁架拱桥极限承载能力的影响不是很大。对于钢桁架拱桥而言，拱肋间竖向布置的横撑对其极限承载力影响不是很大，而拱助切线方向布置的纵向平联对其极限承载力影响极大，特别是在横向风荷载作用下尤为明显，因此在桥梁施工各个环节中尤其注意拱助间平纵联的施工顺序。

结束语

大跨度钢结构拱桥的极限承载力，通过参数分析，来研究结构参数的变化对大跨钢结构拱桥极限承载力的影响，旨在找出影响钢结构拱桥极限承载力的主要因素，为设计及施工提供一些帮助。所选择的参数主要包括：边界条件，荷载要素结构设计参数。在规定的时间内能够具有足够可靠性的前提下，完成全部预定功能的要求。所以了解结构设计参数对其极限承载能力的影响，就可以合理选择结构用材，设计有效的结构形式，按最经济美观适用的原则来尽可能的提高桥梁结构的安全储备。从而全面实现桥梁设计“安全、适用、经济、美观”的功能要求。本文通过采用不同的钢材种类，拱助上下弦杆间腹杆不同的布置形式，纵横向联结系的变化，分别来分析这些结构设计参数的变化对金桥大桥极限承载力的影响。进而促进整个公路桥梁施工行业的进一步发展，为国民经济水平的不断提升做出新的贡献。

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