大跨徑鋼管混凝土拱橋灌注順序仿真分析研究

韋有波

（中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北唐山 063000）

1 引言

鋼管混凝土拱橋屬于自架設體系，先進行空鋼管的架設再進行管內混凝土灌注。在混凝土灌注期間，不同灌注順序下拱肋形狀以及鋼管應力的變化均不同。謝肖禮、秦榮［1］等針對具體混凝土灌注工程中發(fā)生的爆管事故進行了研究，發(fā)現(xiàn)應力在腹板與弦管連接處的數值最大。陳寶春［2］通過設置不同的灌注工況來模擬不同的灌注順序，得出混凝土的灌注順序對拱肋截面應力的影響較大的結論。邱文亮［3］等對拱橋混凝土灌注過程中的穩(wěn)定性進行了研究，發(fā)現(xiàn)采用先下弦管后上弦管的灌注順序拱肋穩(wěn)定性較高。杜迎東［4］針對不合理的灌注順序所產生的弊端，提出通過調整吊桿索力進行優(yōu)化和解決。

鋼管拱肋混凝土灌注是鋼管混凝土拱橋施工過程中的關鍵環(huán)節(jié)［5］，合理的灌注順序能使拱肋鋼管的變形和應力變化均勻［6］。本文以成貴高鐵控制性工程西溪河大橋為工程背景，運用有限元分析軟件Midas/Civil對不同灌注順序下拱肋鋼管的變形以及應力變化情況進行研究分析。

2 工程概況

西溪河大橋是我國高鐵建設中首座鋼管混凝土轉體拱橋，主橋結構為上承式X形鋼管混凝土提籃拱，拱址中心跨度240 m。拱肋高5.7 m、寬3.0 m，每肋由4肢φ1 100×20mm鋼管構成，其上下弦各由兩肢鋼管與其間的兩塊20mm厚鋼板連接成啞鈴型。從拱腳起縱橋向52m范圍內為實腹段，實腹段的上弦管與下弦管之間通過鋼板連接形成，鋼板的厚度為16 mm，拱肋截面形式為箱形。西溪河大橋效果圖如圖1所示。

圖1 西溪河大橋效果圖

3 分析過程

3.1 基本假設

（1）混凝土與鋼管的粘結性良好，不會出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，不會發(fā)生相對滑移，混凝土和鋼管在荷載的作用下變形保持協(xié)調［7］。

（2）鋼管混凝土啞鈴型截面保持平截面假定，即截面形狀和面積在變形前后不會發(fā)生變化［8］。

（3）先前灌注的混凝土達到一定強度后再進行后一批混凝土灌注，剛灌注的混凝土沒有剛度。

3.2 灌注順序的設定

西溪河大橋鋼管內混凝土采用泵送頂升法進行灌注，采用C50微膨脹混凝土，灌注體積總計為3 496 m3。其中：上弦管1 002m3（每條鋼管250.6m3，0.882 m3/m），下弦管 975.6 m3（每條鋼管 244 m3，0.882m3/m）；上弦蓋鈑409.2m3（每條蓋鈑204.6m3，0.737 m3/m），下弦蓋鈑 398 m3（每條蓋鈑 199 m3，0.737m3/m）；實腹板 711 m3（每條實腹板 88.9 m3，1.654 m3/m）。由于先期灌注的混凝土凝固需要一定時間，因此拱肋剛度是一個逐漸變大的過程［9］。

本文擬定了四種灌注順序，如表1所示，分別對這四種不同灌注順序下拱肋鋼管變形與應力的變化特點進行分析。為能對四種灌注順序進行更好地說明，將拱肋鋼管進行編號，如圖2所示。

圖2 拱肋鋼管編號

表1 四種灌注順序

采用有限元分析軟件Midas/Civil對每種灌注順序下拱肋鋼管的位移和應力變化情況進行仿真計算分析。由于拱肋管內混凝土自開始灌注到灌注完成的時間較短，混凝土收縮徐變效應不明顯［10］，在計算分析中不考慮混凝土收縮徐變對拱肋鋼管位移和應力造成的影響。

4 計算結果分析

4.1 灌注順序對鋼管變形的影響

分別取上外側管 L/8處、L/4處、3L/8處、L/2處在8個工況下的豎向累積位移量進行分析。上外側鋼管各處的位移值及變化情況如表2～表5所示。

表2 灌注順序1下拱肋截面豎向位移 mm

表3 灌注順序2下拱肋截面豎向位移 mm

表4 灌注順序3下拱肋截面豎向位移 mm

表5 灌注順序4下拱肋截面豎向位移 mm

從表2～表5中可以看出，在混凝土灌注過程中自拱腳至拱頂的位移量逐漸變大，拱頂處的位移最大。灌注順序3中拱頂的最終位移最大，數值為39.65mm；灌注順序4中拱頂的最終位移最小，數值為35.33 mm。兩者數值相差4.32mm。在4種灌注順序下拱頂變形過程中的最大位移值為47.19mm，小于48mm（L/5 000）。

為能更好地分析拱肋在混凝土灌注過程中的位移變化，繪制各個灌注順序下的拱肋位移變化曲線，見圖3～圖6。

圖3 灌注順序1下的拱肋位移變化曲線

圖4 灌注順序2下的拱肋位移變化曲線

圖5 灌注順序3下的拱肋位移變化曲線

圖6 灌注順序4下的拱肋位移變化曲線

從圖3～圖6可以得出：拱肋各處的位移大致呈“凹”字形的形狀。隨著灌注階段的進行，代表各個工況曲線的間距越來越小，即相鄰工況間的位移增量變小。這說明先期灌入的混凝土不斷凝固，與鋼管拱肋形成聯(lián)和截面，剛度不斷增強，抵抗荷載和變形的能力也不斷增強［11］。在進行腹板內混凝土的灌注施工過程中，拱頂位移變化情況較復雜。灌注順序1中拱頂在前6個工況中位移的方向向下，在進行腹板內混凝土灌注時位移的方向向上，位移差值為5.4 mm，占總位移增量的14.2%。灌注順序2中拱頂在前6個工況中位移的方向向下，在進行腹板內混凝土灌注時位移的方向向上，位移差值為7.4 mm，占總位移量的19.2%。灌注順序3中拱頂在前6個工況中位移的方向向下，在進行腹板內混凝土灌注時位移的方向向上，位移差值為7.5 mm，占總位移量的19.1%。灌注順序4中拱頂位移的方向先向下，在進行腹板內混凝土灌注時位移的方向向上，最后方向又向下，位移差值為8.8 mm，占總位移量的24.9%。

4.2 灌注順序對鋼管應力的影響

鋼管混凝土拱橋在灌注管內混凝土期間，不同灌注順序下拱肋鋼管應力的變化情況不同［12］。分別取拱肋拱腳處、L/4處、3L/8處和拱頂處的應力進行分析研究。不同灌注順序下拱肋鋼管應力變化情況如圖7～圖10所示。

圖7 灌注順序1下鋼管應力變化曲線

圖8 灌注順序2下鋼管應力變化曲線

圖9 灌注順序3下鋼管應力變化曲線

圖10 灌注順序4下鋼管應力變化曲線

從圖7～圖10可以得出，隨著灌注階段的進行，拱肋部分的應力值不斷增大。拱頂處鋼管的應力值最大，拱肋L/4處的應力值較小。灌注順序1中拱頂應力的最終值為-61.4 MPa，灌注順序2中拱頂應力的最終值-67.4 MPa，灌注順序3中拱頂應力的最終值為-65.3 MPa，灌注順序4中拱頂應力的最終值為-57.7 MPa。拱頂處鋼管應力在進行腹板內混凝土灌注時減小，應力變化與其他灌注階段明顯不同。在進行腹板內混凝土的灌注時，灌注順序1中相鄰工況間的應力差值為7.1 MPa；灌注順序2中相鄰工況間的應力差值為8.7 MPa；灌注順序3中相鄰工況間的應力差值為9.6 MPa；灌注順序4中相鄰工況間的應力差值為11.2 MPa。

4.3 最優(yōu)灌注順序的確定

拱肋混凝土灌注順序的優(yōu)劣不能只把位移量最小和應力值最小作為唯一的評價標準，應該綜合多方面的因素進行考量。通過對不同灌注順序下的拱肋變形和應力研究得出：在變形方面，判斷灌注順序優(yōu)劣的依據是拱頂在各個工況間的位移差值變化范圍小；在應力方面，最優(yōu)的灌注順序就是使混凝土灌注過程中各個工況間的應力差值變化范圍小。由以上分析可知，在進行腹板內混凝土灌注時，拱肋鋼管的位移和應力的變化情況較其他工況要復雜。以腹板內混凝土灌注時相鄰工況間的位移差值和應力差值為例比較各灌注順序下的拱肋變形位移以及應力變化如表6所示。

表6 各灌注順序下相鄰工況間位移及應力差值

由表6可知：在進行腹板內混凝土灌注時不同灌注順序下相鄰工況間的拱肋鋼管位移差值和應力差值均不同。四種灌注順序中拱肋拱頂在灌注順序1下的位移差值和應力差值最小，說明拱肋在混凝土灌注過程中的位移和應力變化較平穩(wěn)，為最優(yōu)方案。

5 結論

通過對不同灌注順序下拱肋變形和鋼管應力的變化情況進行分析得出：

（1）不同灌注順序對相鄰工況間鋼管位移差值和應力差值的變化影響不同，拱頂最大位移差值為17.5 mm，最小位移差值為5.43 mm；最大應力差值為11.2 MPa，最小應力差值為7.1 MPa。

（2）合理的灌注順序能夠使拱肋鋼管位移差值和應力差值的變化范圍減小。灌注順序1中相鄰工況間鋼管位移差值和應力差值最小，鋼管在混凝土灌注過程中位移和應力變化平穩(wěn)，因此先弦管再綴板最后腹板的灌注順序最為合理。

（3）該橋在實際施工過程中采用灌注順序1進行混凝土的灌注施工，拱肋整體受力性能良好。本文給出的研究方法可為今后同類型混凝土灌注順序提供相關指導。