广西翔路建设有限责任公司 广西南宁 530001
摘要：钢管混凝土拱桥拱肋混凝土的灌注是钢管混凝土拱桥施工中的关键环节，是整体结构由钢管受力转向组合结构受力的重要工序，混凝土灌注过程中结构的受荷形式不断发生变化，因此该阶段的受力性能十分重要。在考虑均衡、对称加载的基础上，采用有限元软件MIDAS/Civil 对整个混凝土灌注过程进行了仿真计算分析，得到主要阶段结构关键截面的受力情况和整体稳定系数。
关键词：拱桥；钢管混凝土结构；结构分析；稳定
1.工程概况
某中承式钢管混凝土拱桥主桥长269m，主拱肋计算跨径252m，矢高63m，矢跨比1/4，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.167。全桥共设两片拱肋，横桥向中心间距为31.4m。拱脚和跨中断面见图1和图2。单片拱肋采用变高度四管桁式截面，拱顶截面高5.5m，拱脚截面高8.5m。上、下弦管直径1200mm，壁厚22～28mm，管内灌C50微膨胀混凝土；腹杆钢管直径530mm，壁厚16mm；横向缀管直径813mm，壁厚20mm，吊点锚头处缀管内灌注C100钢砂混凝土。拱肋中距31.4m，横向联系采用22道直径920mm，壁厚16mm的X撑横联。吊杆横桥向间距31.4m，顺桥向间距12m，全桥共设17对吊杆，吊杆均为单吊杆。除短吊杆采用PESLZM7-211镀锌平行钢丝成品索外，其余吊杆采用PESLZM7-187镀锌平行钢丝成品索。全桥两侧各设3处拱上立柱，拱上立柱采用钢管焊接于拱肋上，钢管内灌注C50混凝土，钢管顶面焊接钢板放置支座。
桥面梁采用由钢横梁与钢纵梁组成的钢格构体系，钢格构梁上桥面板采用钢-混凝土组合结构。主横梁顺桥向设置与吊杆、拱上立柱及交界墩相对应，标准间距12m，箱形截面；次横梁顺桥向标准间距3m，工字形截面；标准段共设5道钢纵梁，吊杆处为主纵梁，其余为次纵梁，纵梁为工字形截面；桥面板利用在钢构梁上焊接8mm厚钢底板作为底模，现浇14cm厚钢纤维混凝土。桥面铺装采用6cm厚AC-13C改性沥青混凝土。
图2 主拱肋一般构造图（单位：mm）
2.结构有限元分析
钢管混凝土拱桥的施工过程中，由扣挂悬拼到成拱是一个结构体系转换的过程。针对此类桥梁的设计、施工和监控，都需要对施工过程中各工况下的结构进行计算分析，以此确定施工过程中每个阶段的受力和变形的理论状态。利用计算结果对施工过程进行控制和监测，最终达到使基内力和线形状态均满足设计要求的目标。
本文采用桥梁结构分析软件MIDAS/Civil 有限元软件将整个主拱结构离散为空间梁单元；灌注之前空钢管按梁单元模拟，灌注混凝土并达到设计强度的80%后，按照刚度等效原则，将钢管与混凝土仍等效为梁单元[1]。主要材料参数选取如表1所示。拉索用只受拉桁架单元模拟，结构离散图见图3。
表1 主要材料参数取值
图3 主桥有限元计算模型
边界条件处理：
⑴ 拱肋预埋段、斜拉索锚固处固结；
⑵ 拱座封铰前临时铰横向竖向约束，转动自由，封铰后固结；
⑶ 桥面梁在交界墩处中间主横梁横向约束纵向活动，其余主横梁在交界墩处横向纵向均活动。
3.拱肋及立柱需灌注混凝土的钢管及数量
该桥钢管混凝土主要工程量包括φ1200mm共8根主弦管，拱上立柱φ900mm钢管L1、L2和L3钢箱立柱，拱脚缀板混凝土，拱脚位置N1、N2、N3、N3´号腹杆（已经提前灌注），合计2680m3。拱肋主弦管需灌注C50混凝土2447 m3，拱上立柱φ900mm钢管需灌注C50混凝土33 m3，拱脚缀板需灌注C50混凝土200 m3。
根据对称与均衡加载原则以及实际施工进度，以拱顶和桥轴线为对称中线，上、下游拱肋对称加载的原则，进行钢管混凝土的灌注，先灌注缀板再灌注弦管。先下弦管内侧到上弦管内侧，后下弦管外侧再上弦管外侧。缀板混凝土和拱上立柱混凝土在弦管混凝土之前完成，以节省施工时间。
拱上立柱钢管内混凝土灌注采用从上部开孔灌入，用吊索运输，人工进行灌注，灌注过程中采用插入式振捣棒振捣密实。在顶部设置排气孔排气，以保证混凝土与顶板密贴。拱脚缀板混凝土采用人工开孔汽车泵灌注以及工作索运输人工进行灌注。采用两台泵车同时灌注，每次连续灌注两根弦管，灌注完第一根弦管后马上接着灌另一根弦管，上一根管达到混凝土强度的80%后方可灌注下一根管，主弦管拱肋灌注顺序见图4。
图4 泵送混凝土灌注顺序示意图
4.灌注过程中拱肋混凝土应力
按照上述灌注方案，对灌注过程进行仿真分析。将送混凝土灌注过程中拱脚管内混凝土应力情况列于表2，灌注完成后拱脚钢管和管内混凝土应力情况列于表3。应力以拉为正，以压为负值。以下表格中弦管编号见上图所示。
表2 灌注过程中拱脚管内混凝土应力极值及对应工况
注：上表中拉应力为正，压应力为负，--表示该管内混凝土灌注过程中受压，没有出现拉应力。
表3 混凝土灌注完成拱脚截面钢管及管内混凝土应力
注：上表中拉应力为正，压应力为负。
从上表可以看出，灌注过程中拱脚产生的最大拉应力为1.44MPa，小于C50混凝土的抗拉强度，满足要求。
5.灌注过程中的稳定系数
大跨度钢管混凝土拱桥施工都一般要经历一个漫长而复杂的过程，不同的施工方法和施工顺序对结构的受力和稳定均有很大的影响。在许多情况下，施工过程中结构的稳定性低于成桥以后的稳定性[2-3]。为了了解和掌握在拱肋混凝土灌注各阶段的稳定情况，有必要进行灌注阶段稳定性分析[4-6]。
一般而言，浇筑管内混凝土过程中的稳定性要比灌注完全跨的稳定性好，因此，对管内混凝土浇筑的稳定计算，只考虑其每根弦管浇筑完成的情况，而不考虑其浇筑过程。稳定计算只考虑钢管及管内混凝土的自重和结构作用，横向缆风作为安全储备。表4列出了该桥灌注管内混凝土各工况下的稳定系数和失稳模态。
表4 灌注管内混凝土各工况稳定系数及失稳模态
从上表可看出，该桥钢管混凝土灌注过程中的失稳模态均为面外失稳，且弹性稳定系数均大于4.0，满足《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG/T D65-06-2015）5.9.1条主拱弹性整体稳定系数不应小于4.0的规定，钢管混凝土灌注过程中弹性稳定系数满足要求。
结语：
通过对该桥钢管拱肋混凝土灌注的仿真计算可知，钢管拱肋灌注过程中，各阶段拱肋的应力较小，受力合理；钢管拱肋体系的整体刚度非常大，在灌注各阶段，拱肋整体失稳的可能性很小。
参考文献：
[1]秦荣，谢肖礼，彭文立，等.钢管混凝土拱桥钢管开裂事故分析[J] .土木工程学报，2001，34（3）：73-77
[2]许凯明，张明中，王佶.大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段非线性稳定分析[J] .西安建筑科技大学学报：自然科学版，2008，40（4）：556-560
[3]陈宝春.钢管混凝土拱桥（第二版）[ M] .北京：人民交通出版社，2007
[4]袁海庆，周强新，白应华.钢管混凝土拱桥施工仿真计算可视化[ J] .桥梁建设，2003，（5）：15-18.
[5]王远清，姜波，石永久，等.大跨度钢管混凝土拱桥施工稳定性分析[ J] .铁道科学与工程学报，2006，（5）：1-5.
论文作者:熊昭机
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/29
标签：混凝土论文; 钢管论文; 拱桥论文; 过程中论文; 吊杆论文; 结构论文; 立柱论文; 《基层建设》2018年第10期论文;