鋼管混凝土拱橋拱座混凝土破裂原因分析

陳 賀 功

(上海同納建設工程質量檢測有限公司，上海 200000)

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鋼管混凝土拱橋拱座混凝土破裂原因分析

陳 賀 功

(上海同納建設工程質量檢測有限公司，上海 200000)

結合某鐵路雙線鋼管混凝土拱橋的結構形式與施工過程，分析了澆筑中管過程中拱座混凝土破裂的原因，并采用有限元分析軟件，探討了結構的受力特性，提出了拱座破裂事故的處理方案。

拱橋，拱座，混凝土開裂，有限元分析

0 引言

鋼管混凝土拱橋[1]是我國近年來橋梁建筑發展的新技術，系桿拱橋結構簡潔，自重輕，外部受力明確，抗變形能力強，承載能力大的優點，能夠適用于各種地質狀況的要求，同時其用料省、養護工作量少，是大跨度拱橋的一種比較理想的結構形式。因此國內系桿拱橋的建設得到突飛猛進的開展[2]，近幾年來，我們建成的鋼管混凝土拱橋據不完全統計已達到100余座，在對系桿拱橋設計以及施工上總結了很多成功的經驗。但是系桿拱橋局部受力分析的理論研究比較少。近年來有些系桿拱橋在灌注腹腔后造成拱座混凝土破損，造成了較大的損失。本文從分析結構方面，對該鋼管混凝土拱橋拱座混凝土開裂破損原因進行了有限元分析。

1 結構形式、施工過程及事故回顧

1.1 結構形式

某鐵路雙線系桿拱橋跨越青弋江，橋梁主橋跨度為2×88 m。橋梁設計時速為120 km/h，鐵路等級為Ⅰ級。

拱肋為啞鈴型鋼骨混凝土截面，拱肋矢高為22 m，矢跨比為1/4。啞鈴型截面高度為3.0 m，上下管為直徑為1.0 m的圓鋼管，管壁厚度為20 mm，每根拱肋兩個鋼管之間用厚度20 mm的腹板連接。拱軸采用二次拋物線，兩拱肋中心間距為13 m，兩拱肋中間設置五道橫撐，拱頂采用X型橫撐，兩拱腳間設4道K撐。橋梁布置圖如圖1所示。

拱肋橫斷面圖如圖2所示。

1.2 施工過程

該橋采用先梁后拱的施工過程。系梁采用滿堂支架的施工方法，按一定間隔、密布搭設，在跨青弋江的通航范圍內采用軍用梁搭設支架施工。在支架上澆筑橋體混凝土，待混凝土達到強度后拆除模板及支架。該橋在系梁上安裝臨時支架焊接拱肋。在拱肋焊接安裝完成后澆筑拱肋混凝土，其澆筑順序為：下管混凝土→上管混凝土→中管混凝土。

1.3 事故回顧

拱肋安裝完成后不拆除拱肋臨時支架，澆筑完上下管混凝土后，等到鋼管內混凝土強度達到設計強度后，再澆筑中管混凝土，在澆筑過程中發現拱座混凝土(腹板中間位置)發生破損，破損狀態為混凝土從拱肋鋼管上剝落，破損產生的剝落面為上下緣與上下鋼管與中管交接處平行，端部與拱腳預埋鋼管未灌漿段的長度相近。病害照片如圖3所示(黑色部位為破損區域)。

根據現場估計，泵送壓力達到0.6 MPa。

2 結構受力分析

施工發生后，作為施工監控單位，為了找到產生事故的原因進行了結構細部分析。本次計算分析采用midas fea 3.3有限元分析軟件進行分析。

2.1 計算假定

1)計算考慮三維實體模型計算，其中鋼管的本構關系采用范米塞斯模型，初始屈服應力為345 MPa；混凝土本構關系采用總應變裂縫模型，其中混凝土拉應力和壓應力采用規范規定的值；其計算模型如圖4所示，拱座下部約束采用固結，鋼管內施加法向壓力1.0 MPa，非線性分析計算采用弧長迭代法計算，收斂標準為節點變形0.01 mm，本次計算分析不考慮鋼管和拱座混凝土間的粘結滑移。

2)拱肋受力考慮為平面應變單元[2]進行簡化分析，而且由于上下管已經澆筑混凝土，并且可以認為拱腳處上下管內的混凝土與鋼管可靠的粘結，處于壓應力狀態，因此假定中管腹板是兩端固結在上下管上的一個板。

由于中管腹板主要承受拉應力，而且為鋼材，應滿足范米塞斯的應力屈服準則，故本次材料的本構模型采用范米塞斯關系。

另外考慮鋼管和外包混凝土的應變的協調性，即認為拱肋鋼管的應變和拱腳外包混凝土的應變應當相等。根據有關規范，混凝土的極限拉應變為0.000 1，如果混凝土應變超過該值，即認為混凝土的受拉開裂最終導致局部混凝土脫落。

3)對實體計算模型和平面應變單元計算對比分析。

2.2 計算結果整理分析

經計算，在荷載達到0.597 MPa時，三維實體計算模型達到最大極限，拱座混凝土失效，結構破壞。其計算結果如下：

1)拱肋鋼管范米賽斯應力在中管和上管交界區域達到150 MPa，但未達到鋼管的初始屈服應力，計算結果如圖5所示。

2)混凝土單元裂縫開展結果如圖6所示，部分混凝土單元失效后退出計算，混凝土單元退出計算的范圍與施工過程中拱座混凝土破損的范圍相近。

平面應變計算單元模型計算結果表明中管腹板在內壓達到0.5 MPa時，中管腹板與上下管交界處應變達到最大為0.003 26 με，超過混凝土的拉應變極限值，如圖7所示。

根據有限元進行的有限元分析計算結果可知在拱肋鋼管未達到屈服時，拱座混凝土已經失效，造成拱座混凝土開裂破損。

3 事故處理[3-5]

經過監理、監控、業主及施工單位的共同討論，達成以下處理意見：將破損的混凝土鑿除，檢查拱肋鋼管焊縫是否產生撕裂。1)如果未撕裂，重新焊接拱腳外包混凝土鋼筋，重新立模澆筑混凝土；2)如果焊縫撕裂，切割開裂處鋼管，重新焊接，并且立模澆筑外包混凝土。

4 結論及建議

通過對該鋼管混凝土拱橋拱座混凝土開裂破損事故分析及討論，提出以下三點看法以及建議：

1)中管內泵送壓力達到0.6 MPa，造成中管的應變超過了混凝土的極限拉應變，從而造成了拱座混凝土的開裂破損。

2)由于在很低的泵送壓力下就易使拱腳外包混凝土開裂破損，建議拱腳鋼管預埋段在拱腳混凝土強度達到要求拆模后，立即澆筑，保證后續灌注中管混凝土時，對于拱腳外包混凝土不至產生較大的影響。

3)鋼管拱肋在拱座混凝土包裹下形成一定的三向壓力，提高了鋼管的承載力。鋼管混凝土拱橋拱座僅考慮鋼管和混凝土的極限應變協調，設計結果偏于安全。

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].第2版.北京：人民交通出版社,2007：49-51.

[2] 秦 榮.鋼管混凝土拱橋鋼管開裂事故分析[J].土木工程學報,2001，34(3):74-77.

[3] 周水興.鋼管混凝土拱橋常見病害成因分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2013，32(S1)：15-16.

[4] 劉 強.拱橋主拱圈加固技術研究[D].廣州:華南理工大學，2010.

[5] 趙振銼.橋梁體外預應力加固技術[J].廣東交通職業學院學報，2003，2(2)：1-4.

Analysis on skewback concrete cracking causes of steel-tube concrete arch bridge

Chen Hegong

(ShanghaiTongnaConstructionEngineeringQualityTestCo.,Ltd,Shanghai200000,China)

Combining with structural forms and construction process of the railway double-line steel-tube concrete arch bridge,the thesis analyzes skewback concrete cracking causes in casting process,explores structural stress properties by applying finite element analysis software,and finally provides skewback cracking accidence processing scheme.

arch bridge,skewback,concrete cracking,finite element analysis

1009-6825(2016)29-0172-02

2016-08-07

陳賀功(1981- )，男，碩士，工程師

U448.27

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