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隨著鋼管混凝土系桿拱橋應(yīng)用的日益廣泛，其跨徑不斷增加，規(guī)模日益增大，施工方法和施工技術(shù)也不斷推陳出新.京滬高鐵跨錫北運河處于繁忙航道，無法進(jìn)行封航施工，為了不影響通航，本橋采用了先拱后梁和系梁掛籃現(xiàn)澆的施工方法，這在國內(nèi)是很少見的，其施工難度大、工序多，施工環(huán)境復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系隨施工的進(jìn)行不斷變化，因此進(jìn)行施工過程的有限元分析以確保該橋施工的順利進(jìn)行就顯得尤為重要。文中以京滬高鐵跨錫北運河系桿拱橋為背景，采用ANSYS的有限元分析軟件對施工全過程進(jìn)行仿真分析，為整個施工過程的應(yīng)力和變形監(jiān)控提供理論指導(dǎo)，確保成橋后的線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計要求。
京滬高鐵徐州至上海段跨錫北運河大橋為跨徑的鋼管混凝土系桿拱橋，橋梁全寬17.1 m人行道內(nèi)側(cè)寬12 m，主橋拱軸線為懸鏈線線形，橋長100 m，拱肋平面內(nèi)矢高19.2 m，矢跨比1/5。拱肋截面為啞鈴型鋼管混凝土截面，拱肋鋼管材料采用Q345-D鋼，鋼管內(nèi)灌注C55無收縮混凝土；系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，內(nèi)設(shè)16根環(huán)氧鋼絞線系桿，錨固在系梁梁端實體段系桿箱內(nèi)；吊桿布置為尼爾森體系，采用127高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄墩頭錨。
本橋采用先拱后梁法施工，靠拱腳段拱肋在系梁上搭設(shè)支架安裝，中間大節(jié)段拱肋采用現(xiàn)場分段拼裝后整體吊裝，然后向鋼管內(nèi)泵送混凝土；拱肋鋼管混凝土灌注后，在拱肋上懸掛模板，用掛籃法一月由拱腳向跨中逐段對稱澆注系梁混凝土。
本文采用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS進(jìn)行施工過程的有限元分析，在建模中根據(jù)各構(gòu)件的形式及受力特點，分別選用合適的單元類型.鋼管混凝土拱肋采用BEAM44單元進(jìn)行建模；系梁為單箱三室混凝土箱型截面，建模過程中采用單元SHELL63通過相應(yīng)的實常數(shù)定義板殼各個邊界點位置的厚度來分段模擬懸臂掛籃施工過程；吊桿與系桿利用單元LNIK8通過改變該單元的實常數(shù)來達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力的目的。
由于本橋采用先拱后梁的施工方法，拱肋采用預(yù)制吊裝工藝，在精度上能較好控制，而在系梁懸澆段施工過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和標(biāo)高都在不斷的變化，對系梁施工過程進(jìn)行合理的模擬是分析實橋受力的關(guān)鍵。
本橋系梁共分為13個節(jié)段，其中靠拱肋支座的1#-13#節(jié)段采用支架現(xiàn)澆施工，2#-12#節(jié)段采用掛籃對稱現(xiàn)澆施工，7#節(jié)段為中間合攏段.系梁施工過程模擬運用ANSYS的生死單元屬性，先建立整橋的模型，定義好所有的單元組包括拱肋、系梁現(xiàn)澆段、每個懸臂節(jié)段、合攏節(jié)段、吊桿和系桿等，采用實時前進(jìn)分析，施工每一階段就激活該階段的所屬單元和邊界條件，直至全橋施工完畢。計算過程的施工階段和實際施工過程中的施工階段有著明確的對應(yīng)關(guān)系。
在跨錫北運河系桿拱橋施工過程中，結(jié)構(gòu)體系及承受的荷載都不斷變化，其縱向正應(yīng)力狀況亦復(fù)雜多變，因此對施工過程中橋梁的縱向應(yīng)力狀況進(jìn)行仿真分析至關(guān)重要，可以判斷結(jié)構(gòu)后續(xù)的施工工序是否安全，做出是否加強(qiáng)的決策。文中取4#-10系梁節(jié)段澆注完畢和合攏階段施工作為研究工況。
經(jīng)過有限元應(yīng)力分析可以得出：
1)隨著掛籃施工向系梁合攏階段的推進(jìn)，拱肋和系梁應(yīng)力沿縱向呈對稱分布，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力的變化趨向均勻，而且同一截面的相同位置(如系梁底面)的各個測點應(yīng)力變化趨勢是一致的，說明該橋施工過程的受力狀態(tài)比較合理。
2)隨著系梁逐段澆注以及系桿和吊桿的逐步張拉，吊桿的應(yīng)力不斷地變化，直到大橋合攏后，墩臺臨時固接拆除，吊桿力才趨于穩(wěn)定。這是因為吊桿及系桿的受力是一個綜合的、復(fù)雜的、變化的、互相影響的過程，直到拆除墩臺臨時固接這個過程才能穩(wěn)定下來。
3)應(yīng)力分析結(jié)果表明施工過程中混凝土的應(yīng)力較低，拱肋、吊桿、系桿的應(yīng)力在各施工階段均處于彈性階段，施工安全性可以得到保證。
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