鋼管拱肋混凝土灌注過程計算分析

2016-11-16 08:07:24沈興誼肖海波

城市道橋與防洪 2016年6期

關鍵詞：橋梁混凝土分析

沈興誼，楊軍，肖海波

（寧波城建設計研究院有限公司，浙江寧波 315012）

鋼管拱肋混凝土灌注過程計算分析

沈興誼，楊軍，肖海波

（寧波城建設計研究院有限公司，浙江寧波 315012）

鋼管拱肋在灌注混凝土的過程中，鋼管應力及變形會隨著灌注過程發生變化，如灌注過程未進行有效控制，可能會使拱肋局部構件應力、變形過大，從而影響最終橋梁總線形、承載能力及耐久性。針對此問題，介紹了鋼管混凝土灌注過程中荷載計算及分析方法，并對金盤大橋鋼管混凝土灌注進行了分析。

鋼管拱肋；混凝土灌注；計算分析

0　引言

鋼管混凝土是將混凝土填充到鋼管內形成的一種組合結構材料。這種材料具有承載力高、塑性韌性好、施工方便、耐火性能和經濟效果好等優點，工程上常應用于房屋建筑結構和橋梁結構中，其中在橋梁上主要應用于拱橋。將鋼管混凝土應用于拱橋中，在力學性能、施工、經濟以及美觀等方面，表現出很大的優越性，促進了拱橋的發展。

鋼管混凝土拱橋的發展迅猛，但其相應的理論研究比較滯后，比如脫空問題及初始應力問題都還缺乏深入的研究。脫空問題主要是混凝土收縮以及外界溫度的變化，將使鋼管混凝土拱肋在拱頂出現鋼管與混凝土不密貼的現象；初始應力問題主要是鋼管混凝土拱橋采用自架設方法，先完成拱肋的安裝、合攏，然后澆注管內混凝土，在形成鋼管混凝土之前，鋼管中集聚了初始應力，這種初始狀態對鋼管混凝土拱橋成橋后的拱肋線形及極限承載力均有影響［1］。本文以金盤大橋為實例，對鋼管拱肋混凝土灌注過程中拱肋的初始應力和變位進行計算分析。

1　鋼管混凝土灌注過程中荷載計算及分析方法

混凝土通常為可流動液態，它的力學性質介于液體和固體之間，既能傳遞液壓力，又能傳遞剪力和摩擦力。在鋼管內灌注混凝土的分析研究中，可以忽略液態混凝土的剛度影響，直接把它當作外加荷載作用在鋼管拱上，混凝土自重荷載的法向分力全部由鋼管拱肋承擔，自重荷載沿拱軸切向分力則由鋼管和混凝土自身共同承擔，鋼管所承擔切向分力的大小為兩者之間的摩擦力［2］。

鋼管混凝土灌注過程中荷載分配方式實際上分成三部分：液態混凝土的自身重量，混凝土對鋼管壁的液壓力以及混凝土和鋼管之間的摩擦力。實際工程施工過程中不可能實現在混凝土灌注的瞬時對所有鋼管的應力和變形進行觀測，只考慮混凝土灌注到某一階段停止時的受力變化，因此不考慮兩者之間的摩擦力作用［3］。

目前，常用的鋼管混凝土拱橋施工階段的計算分析方法有：倒拆分析法、正裝分析法和無應力狀態施工法。這三種方法都有各自適用范圍［4］。

倒拆分析法無法對與時間相關的因素進行分析計算，比如混凝土的收縮徐變等，因而進行倒拆分析時無法考慮時間效應。正裝分析法是指按照橋梁施工過程的順序來計算的方法。其表現是，隨著施工的往前推進，結構形式、荷載和邊界條件等也在不斷發生變化，因此把前一個橋梁階段狀態當作本次施工階段分析的基礎。無應力狀態法是以成橋構件的幾何參數如無應力長度和無應力曲率等作為施工控制量，來實現對成橋目標的逼近。現階段對于鋼管混凝土拱橋施工過程的計算分析通常是采用正裝分析法。

2　工程概論及鋼管混凝土灌注分析

金盤大橋設計采用中承式鋼管混凝土拱橋+上承式鋼筋混凝土連拱結構，全橋長403.04 m，主跨為單跨80 m中承式鋼管混凝土拱橋，拱肋高19 m，北側與5跨等截面鋼筋混凝土連拱橋相連，南側與4跨等截面鋼筋混凝土連拱橋相連；主拱圈采用矩形鋼管混凝土截面，拱肋高2.2 m，寬1.6 m。拱圈采用Q345qc鋼，在距拱腳6.8 m范圍以下拱圈鋼板壁厚34 mm，其余范圍內拱圈鋼板壁厚20 mm，拱圈內填充C55微膨脹混凝土，施工時采用分段接力泵送。圖1為主橋立面布置圖。

圖1　主橋立面布置圖（單位：cm）

鋼管內混凝土頂升過程中，把混凝土作為沒有剛度的液態，換算成荷載作用在空鋼管之上，灌注過程是先從拱腳頂升至11 m高度，再從11 m高度處頂升混凝土至合攏，兩端對稱進行。下面分別列出拱腳上緣和下緣、L/4拱肋上緣和下緣，拱頂上緣和下緣在混凝土從拱腳頂升到拱頂的過程中的應力變化情況，以及L/8、L/4、3L/8拱肋和拱頂在混凝土從拱腳頂升到拱頂的過程中的位移變化情況。

鋼管內混凝土灌注過程按照高度方向每一米作為一個施工步驟，采用MidasCivil軟件建模仿真分析，拱腳處、L/4拱肋處及拱頂處上下翼緣應力變化情況如圖2～圖7所示。