大跨度鋼管混凝土拱橋主拱肋的施工穩定性分析

董鸝寧

摘 要：鋼筋混凝土拱橋造型美觀，同時具有良好的跨越能力，在城市橋梁以及公路中有著廣泛的應用。作為典型的的自架設橋梁結構，大跨度鋼管混凝土拱橋通常采用纜索吊裝的方式進行施工，但是大跨度鋼管混凝土的質量與剛度在施工過程中一直處在不斷變化的狀態當中，同時施工進程當中外荷載形成的擾動對橋梁施工穩定性也有不利的影響。因此，本文基于大跨度鋼筋混凝土工程，對橋梁施工進程中的穩定性進行分析，同時依據結構的屈曲模態以及特征值確定施工中的不利階段，以期為此類拱橋施工提供有力的借鑒。

關鍵詞：大跨度；鋼筋混凝土拱橋；施工階段；主拱肋；穩定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.094

0 前言

鋼管混凝土由于具有良好的技術優勢以及力學性能，在近些年來得到了廣泛的應用與發展，但是由于鋼管混凝土拱橋在施工過程中的質量與剛度一直處在變化當中，同時外荷載力也比較復雜，所以，鋼管混凝土拱橋施工的穩定性成為了社會各界廣泛關注的問題。

1 工程概況

工程采用有推力中承式的鋼管混凝土拱橋構造，主橋跨度為242m，拱軸線的懸鏈線為1.5m，矢高比為1/4，拱肋呈桁架結構的鋼管混凝土，拱肋總高度是m，總寬度為m。圓管的外直徑是，除了第吊裝段以及拱腳埋設段的壁厚為之外，拱肋的厚度均為。兩個鋼管之間的水平距離為，主橋拱圈采用雙片式拱肋，通過拱上的吊桿與立柱連接拱上的橋面系，行車道板采用縱向“T”梁，橫梁采用預制大型預應力混凝土梁，縱橫交錯形成連續的橋梁正交梁格結構。

行車道梁與拱肋相交位置設置拱上橫梁，供上橫梁主要采用形式為鋼管桁架的材料，主、側桁架的腹桿與弦桿均采用材質為的鋼管，主桁架弦桿尺寸規格是。上弦桿為壓彎構造并且承受支座處局部集中荷載，為解決局部出現的承壓問題以及強化承載能力，在弦桿中填充型號為C50的微膨脹混凝土。下弦桿是拉彎構件，不需要填充混凝土。與主桁架上弦桿相連接的拱肋腹桿尺寸是，內填微膨脹混凝土。

2 有限元分析

（1）計算方法。根據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》中的規定[1]，在橋梁施工過程當中，需要依據拱橋的施工方法與特征分析混凝土主拱肋的穩定性，主拱肋整體的彈性穩定臨界系數是4.0。本文通過有限元結構分析平臺對橋梁工程的屈曲模態以及屈曲特征進行分析，并結合材料的非線性以及幾何非線性進行考量，分析非線性的上限是穩定分析臨界荷載系數。

（2）有限元模型建立。1）施工階段介紹。采用纜索吊裝進行鋼管混凝土施工的過程當中，需要結合施工現場吊纜索機械以及現場起吊的實際狀況劃分主拱肋的吊裝節段，其主要的施工流程是：施工主墩基礎—施工扣塔以及吊塔—安裝臨時鉸—吊裝拱段—合攏主拱圈—調整拱圈線形—焊接固定各拱段—扣索拆除—封鉸—鋼筋混凝土下弦拱圈灌注混凝土—灌注實心段混凝土以及拱圈上弦鋼管—安裝吊桿、橫梁、以及拱上立柱—安裝施工橋面板濕接縫以及橋面板—施工橋面系—鋼構件防腐。

2）抗風纜布置。拱肋在吊裝施工過程當中容易受到橫風的干擾而導致拱肋在橫向上失去平衡，為了保證拱肋的穩定，在施工進程中需要在每個吊裝階段上安裝對應的風纜繩[2]，在每一處拱肋吊裝的拱背的上游與下游安裝直徑為21.5的鋼絲繩，在橋梁中設置8處抗風纜繩錨碇。

3）建立模型。根據圖紙上的資料信息，通過有限元結構分析軟件進行空間分析計算，橋梁總共存在1886個節點以及2102個單元，拱肋的一字橫撐、上下弦桿以及K撐均采用梁單元進行模擬，風纜繩采用桁架單元，管內灌注混凝土以及臨時施工荷載，以均布荷載的方式計入計算模型當中。（最好給出計算模型圖）

（3）空鋼管節段吊裝階段穩定性分析。拱肋在吊裝施工過程中具有的抗風穩定性能對于保證結構的安全具有至關重要的影響作用，因此，對吊裝拱肋過程中受到的橫波影響進行抗風穩定性分析驗算，在計算過程中同時還結合風纜對結構的穩定產生的作用，作用在拱肋上的橫風荷載依照基本的風速進行計算。依據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》，在施工進程當中拱肋的穩定性臨界荷載系數不小于4[3].施工進程中最大懸臂階段的抗風穩定性能較為不利，最小臨界荷載系數是32，施工進程中的抗風穩定性符合施工要求。

（4）鋼管混凝土灌注階段穩定性分析。1）鋼管混凝土灌注順序。全橋鋼管拱肋主要由8根弦桿構成，分別是以及，下弦桿之間采用平聯板進行連接，并通過腹連接的方式連接下弦桿，采用橫撐連接左右側的主拱肋，在平聯板以及弦桿之間存在的空腔內灌注混凝土，采用泵送的方式灌注弦桿混凝土，通過人工方式灌注平聯板內的混凝土。采用對稱勻速不間斷的方式灌注鋼管混凝土。根據B2、B3—、B4—、A3—、A4—下平聯內混凝土—上平聯內混凝土的施工順序進行灌注。2）穩定性分析。混凝土灌注階段主拱肋的恒載大幅增加，在這個過程當中應該對主拱肋的穩定性進行計算，依據灌注鋼管混凝土的施工順序，得出在灌注第一對空鋼管管內混凝土的過程為最不利拱肋灌注的施工階段，為此開展鋼管灌注混凝土過程中的穩定性只需要在這個階段當中進行，經過計算分析得到在灌注第一對管內混凝土的過程中拱肋失穩模態是外部失穩，拱肋最小臨界荷載系數是13，符合相關要求。

3 結語

本文依托于一座大跨徑的鋼管混凝土拱橋，結合非線性因素對橋梁施工進程中合龍前拱肋吊裝施工過程中的抗風穩定性以及合龍之后灌注鋼管混凝土階段的整體穩定性進行了分析，通過屈曲模態結果以及特征分析結果得出在施工過程當中最大懸臂階段的抗風穩定性最不利，最小的臨界荷載系數是32，大于結構失穩時臨界系數4，橋梁施工進程中的抗穩定性符合要求，第一對管內混凝土在灌注時最為不利，且呈現出失穩模態面外部失穩的特征，拱肋承載的最小臨界荷載系數是13，數值大于4，因此在灌注混凝土的階段當中拱肋的穩定性符合要求。

參考文獻：

[1]邵輝，姚軻.鋼管混凝土系桿拱橋施工階段穩定性分析[J].中國新技術新產品，2015（08）：136.

[2]胡大琳，陳定市，趙小由等.大跨徑鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑施工控制[J].交通運輸工程學報，2016（01）：25-36.

[3]肖勇剛，邢雯芳.大跨度鋼管混凝土拱橋彈性穩定性分析[J].中外公路，2014（02）：129-132.endprint