鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋拱肋施工穩定分析

趙胤儒，朱克兆

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢430010)

隨著高強度材料和先進施工技術的出現和應用，鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋也相繼出現。勁性骨架在拱橋施工過程中主要為澆筑拱肋混凝土提供支架，其次也是拱圈的主要受力構件。拱橋拱肋截面在施工過程中不斷變化，且截面的受力也不斷變化，因此拱肋外包混凝土澆筑期間的穩定性是整個工程成功的主要保證。本文以烏江彭水電站的茶林坪烏江大橋為例，探討其施工過程中的穩定計算，同時利用穩定計算結果指導施工。

1 結構概況

茶林坪烏江大橋是一座鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。一跨跨越主河槽，計算跨徑為150 m，凈跨徑為147.42 m，矢跨比為1/5，拱軸系數m=1.347，拱肋為等截面鋼筋混凝土箱型結構，拱肋截面高3.0 m、寬2.0 m，箱型斷面頂、底、腹板均厚37 cm，內壁上下梗脅尺寸為20 cm×20 cm，鋼管內混凝土采用C50微膨脹混凝土，外包混凝土采用普通C50混凝土。其橋型布置圖如圖1。

圖1 彭水茶林坪烏江大橋橋型布置圖

設計初期對該地形邊界特征進行過剛構橋、鋼管混凝土拱橋、鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋勁性進行了對比，綜合烏江的通航和兩岸交通的銜接和減小橋梁后期的維護費用，決定采用鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。勁性骨架采用299×12的Q345C鋼管，鋼管內灌注C50微膨脹混凝土。勁性骨架安裝架設后，在骨架上懸掛模板分為5個工作面多個階段對稱澆筑勁性骨架外包混凝土，待先澆混凝土達到一定的設計強度后作為承載結構的一部分，與鋼管混凝土骨架共同承受后澆的各部分混凝土的重量。

本橋由于在澆筑外包混凝土時受混凝土模板和工序的影響，成橋拱肋彎矩主要由拱肋的頂、底板承受。為保證頂、底板澆筑的質量，拱肋頂、底板混凝土須一次澆筑完成，腹板可以采用一次或者多次澆筑完成。本橋的施工順序大體為[1]:吊裝鋼管節段→安裝索扣和抗風索→安裝永久橫撐和臨時橫撐→安裝合龍段→鋼管合龍→拱腳混凝土封鉸→灌注鋼管內混凝土→拆除臨時橫撐→釋放扣索和抗風索→澆筑箱型拱肋底板混凝土→澆筑箱型拱肋腹板混凝土→澆筑箱型拱肋頂板混凝土→安裝吊桿、橫梁→安裝橋面縱梁→安裝橋面附屬結構→驗收竣工。整個施工過程的穩定控制主要是拱肋在施工過程中的穩定，一旦結構斷面確定，能影響施工過程的穩定主要在于腹板的澆筑方式，因此本文設計了三種不同的腹板澆筑情況，并計算出相應方案施工過程的穩定安全系數，獲得最佳的施工方案。三種不同腹板澆筑順序示意圖如圖2。

圖2 三種不同腹板澆筑順序示意圖

2 穩定分析理論

(1)按照彈性穩定理論，結構在臨界荷載作用下的平衡方程為:

式中:[Ko]為結構彈性剛度矩陣;[KNL]為結構幾何剛度矩陣。

利用幾何剛度求解歐拉穩定性的問題，歸結為求解一個廣義特征值的問題。

結構的穩定系數為:K=Nu/N0

其中:Nu為結構失穩時的結構內力;N0為結構作用效應最不利組合對應的結構內力。

(2)非線性穩定理論，結構在臨界荷載作用下的平衡方程為:

式中:[Ko]為結構彈性剛度矩陣;[KNL]為結構幾何剛度矩陣;[KLD]為結構大位移產生的剛度矩陣。

非線性有限元必須采用增量法求解極值穩定性，即:

結構失穩的總荷載可以表示為:

式中:{Pcr}為結構失穩的總荷載;{Po}為此階段開始施工之前的結構自重;{P1}為施工階段的活荷載;λ為結構失穩時相對于{Pa}施加倍數，{Pa}為假設荷載。

穩定安全系數K定義為:K=(Pd+λP1)/(Pd+P1)

3 結構有限元分析

由西南交通大學[2]、[3]和重慶交通學院[4]的研究成果，對勁性骨架混凝土結構，骨架上、下弦桿的鋼管混凝土、腹桿、平聯采用空間梁單元離散，頂、底和腹板采用板殼單元離散。澆筑混凝土強度未達到設計要求時，將其混凝土重量以荷載形式作用于弦桿上;當混凝土強度達到要求后，按照板梁的組合結構進行計算，鋼管混凝土采用兩種不同材料組成的聯合截面。推薦方案全橋有限元計算模型如圖3所示。

圖3 方案二計算模型圖

拱肋腹板三種不同澆筑方案的穩定安全系數計算結果如圖4。

圖4 拱肋腹板三種澆筑方案的穩定安全系數

以上表格數據的施工階段從拱腳混凝土封鉸開始，一直到附屬結構安裝結束。三種方案的穩定安全系數的分支點位于不同腹板澆筑，從施工過程中的穩定安全系數知，方案一在澆筑箱拱外包混凝土時穩定安全系數離散較大，方案二和方案三較為均勻。

三種不同腹板澆筑方案中，方案一的每次澆筑腹板混凝土量大約為1.8倍底板混凝土量，方案二中每次澆筑腹板的混凝土量大約為0.9倍底板混凝土量，方案三中每次澆筑腹板的混凝土量大約為0.6倍底板混凝土量。

經過對比知:方案一的工期是比較短，但是澆筑外包混凝土過程中的穩定安全系數比較低，最不利的情況出現在澆筑腹板過程中，僅有2.5;方案二的工期較方案一長，但是澆筑外包混凝土過程中的穩定安全系數較方案一明顯提高，最不利的情況出現在澆筑下腹板過程中，其安全系數為3.7;方案三的工期較方案一和方案二更長，最不利的情況出現在澆筑底板混凝土，其穩定安全系數為3.9。方案一和方案二腹板澆筑的穩定安全系數均小于澆筑底板時的穩定安全系數(K=3.9)，方案三腹板澆筑的穩定安全系數均大于澆筑底板時的穩定安全系數，方案三澆筑腹板過程中的最小穩定安全系數為4.3(大于3.9)，由此可知腹板澆筑混凝土方量次數不能再多于方案三的腹板澆筑次數。

由于該橋的施工特點為箱肋頂、底板混凝土必須一次澆筑完成，三種方案中方案二在施工過程中的最小穩定安全系數的偏離最小(與澆筑底板時的穩定安全系數相差約為5%)，綜合施工工序復雜程度、工期和施工過程中穩定性的要求，最終推薦方案二為實際施工方案。

4 結論

(1)下承式鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋的拱肋多為單箱單室截面，由于外包混凝土模板和工序的影響，其外包混凝土頂、底板混凝土需要一次澆筑完成，從而影響拱肋在施工過程中的穩定性主要體現在拱肋外包混凝土腹板的澆筑方式上。

(2)腹板混凝土澆筑應采用多次澆筑，并且要求前一階段澆筑混凝土達到強度后才能繼續澆筑后一階段的混凝土。

(3)腹板混凝土澆筑方量盡量與底板混凝土澆筑方量相當，從而避免穩定安全系數偏小，同時也應避免澆筑方量太少增加施工工序從而增加工期。

(4)本橋在施工過程中的最小穩定安全系數為3.7，但成橋結構的穩定安全系數為6.8，滿足工程中穩定系數不小于4的要求。

[1]四川省交通廳，萬縣長江公路大橋技術總結[M].成都:電子科技大學出版社，2001

[2]趙雷，張金平.大跨度鋼筋混凝土拱橋施工階段穩定性分析的非線性問題[J].四川建筑科學研究，1995(4)

[3]謝尚英，錢冬生.勁性骨架混凝土拱橋施工階段的非線性穩定分析[J].土木工程學報，2000(1)

[4]顧安邦，王榮，劉湘江，等.大跨度鋼管混凝土勁性骨架肋拱橋的穩定性研究[C]//中國公路學會2001年學術交流論文集，2001

[5]楊炳成，鄔剛柔，劉劍.大跨徑鋼管混凝土勁性骨架非線性分析[J].橋梁建設，2006(1)