基于勁性骨架法的下承式鋼管混凝土拱橋受力分析

劉吉晗

(中設設計集團股份有限公司 南京市 210014)

勁性骨架施工是將鋼管混凝土系桿拱橋的拱肋鋼管、吊桿鋼管及系桿骨架三者拼裝成整體后采用浮吊整體吊運其到設計橋位，隨后以骨架為平臺進行混凝土的灌注并開展其他部件的安裝施工。該工藝屬于自架設施工工法的范疇，系桿勁性骨架后期同外包混凝土形成鋼管混凝土勁性骨架體系而協同變形，因而采用勁性骨架法施工工藝的鋼管下承式混凝土系桿拱橋潛在超載能力較強。

依托某跨越三級航道并基于勁性骨架法建造的系桿拱橋為例，結合具體施工工序探討其受力狀態和整體穩定性。

1 工程概況及構造設計

某Ⅲ級航道最小通航凈空要求為60×7m，根據規劃要求采用原位改建的方案一跨過河，主橋采用80m下承式鋼管混凝土系桿拱，計算跨徑77.5m，拱軸線為二次拋物線型，矢跨比為1/5，矢高15.5m。主橋全寬12.7m，拱肋橫向間距11.5m。拱肋采用1.6m高啞鈴型鋼管混凝土截面，內充C50微膨脹混凝土，鋼管外徑0.7m，鋼管及綴板壁厚14mm。系桿采用2.0m高等截面箱梁，系桿中段寬度1.2m，近拱腳加寬至1.5m；拱肋橫向設4道K型風撐，全橋共架設14對吊桿，吊桿采用LZ7-55平行鋼絲吊桿，順橋向間距5.0m。

主橋系桿勁性骨架由四根L180×18mm角鋼之間用橫向綴條和豎向綴條連接而成，為加強骨架整體性及抗扭剛度，吊桿兩側設置由兩根L75×50×8mm角鋼交叉形成的系桿剪撐。臨時橫梁沿系桿對稱布置5道。系桿勁性骨架和主拱肋鋼管采用吊桿和拱腳處的外包鋼板連接。勁性骨架部分構造如圖1所示。

圖1 勁性骨架構造示意

2 勁性骨架整體吊裝施工模擬

為減少斷航和礙航時間，該橋拱架采用勁性骨架搭設的施工方案，有效降低了施工期間對通航水域的影響。從施工工期、安全性、經濟性角度均優于有支架施工方案。需要提醒的是，拱肋混凝土澆注時產生的水平推力需要依靠同步張拉的系桿拉索與系桿鋼骨架來平衡。

具體施工工序如下：

(1)橋址處空地搭設胎架拼裝主橋勁性骨架(含拱肋鋼管、系桿鋼骨架、吊桿鋼管、斜撐、臨時橫梁等)，安裝系桿模板、綁扎系桿鋼筋，安裝吊桿并張拉部分吊桿預應力作為收緊力,收緊力以帶緊吊桿為原則。

(2)將拱肋及勁性骨架整體浮拖就位(靠拱腳支承點移動)，安裝主墩支座并臨時固定，安裝風纜以利拱橋鋼骨架橫向及整體穩定。

(3)支座定位，現澆拱腳、安裝并張拉端橫梁、系桿第一批預應力鋼束。

(4)泵送下拱肋鋼管混凝土,應注意左右對稱泵送，待拱肋混凝土達到設計強度且齡期大于4d，灌注上拱肋混凝土。

(5)澆注系桿混凝土，待系桿混凝土達到設計強度后，第二次張拉第一批系桿預應力束，拆除系桿模板、橋下支架。

(6)安裝預制2、6、9、13號吊桿處中橫梁，澆注橫梁濕接頭，待其強度達到設計強度后張拉上述橫梁第一批預應力鋼束。

(7)第一次張拉吊桿預應力,吊桿編號自左向右依次為1#～14#，吊桿張拉順序7#8#、4#11#、6#9#、2#13#、5#10#、3#12#、1#14#，其張拉控制力見表1。

(8)安裝其余中橫梁，澆注橫梁濕接頭，待其強度達到設計強度后張拉上述橫梁第一批預應力鋼束，張拉第二批系桿預應力。

(9)安裝行車道板(對稱安裝，橫向展開),現澆中橫梁二期混凝土,第二次張拉吊桿預應力,張拉順序同第一次張拉。

(10)施工橋面板整體混凝土，張拉端橫梁和中橫梁第二批預應力鋼束，張拉第三批系桿預應力鋼束。

(11)橋面瀝青混凝土鋪裝、安裝防撞護欄；載荷試驗，通車運營。

表1 系桿張拉控制力

3 靜力分析

3.1 模型簡化

鋼管混凝土目前仍存在許多理論問題尚未解決，為簡化計算，在確保滿足工程精度的前提下作如下考慮：

(1)鋼材和混凝土間緊密連接沒有相對滑移，應力歷史一致；

(2)不考慮材料、幾何非線性的影響；

(3)忽略鋼管混凝土拱肋截面的非線性溫度場效應；

(4)腹腔內的混凝土不參與拱肋受力，僅考慮自重作用。

3.2 計算參數

拱肋采用Q345C鋼，鋼材容重78.5kN/m3，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比0.3，熱膨脹系數1.2×10-5。橫梁、系桿均采用C50混凝土，設計強度fcd=22.4MPa，ftd=1.83MPa，混凝土容重26kN/m3，彈性模量E=3.45×104MPa。橋面板采用C40混凝土，設計強度fcd=18.4MPa，ftd=1.65MPa，混凝土容重γ=26kN/m3，彈性模量為3.25×104MPa。吊桿采用低應力防腐索體，鋼絲抗拉強度1670MPa，彈性模量為2.05×105MPa。

3.3 建立有限元模型

結合該橋施工步驟并基于上述簡化計算理論建立全橋有限元模型，部分施工過程模型見圖2所示。

圖2 施工過程模擬

3.4 結構應力驗算

(1)系桿應力驗算

在短期效應組合下系桿全截面受壓，最大主拉應力應小于1.06MPa。系桿最大法向壓應力為13.2MPa，小于規范允許的16.2MPa。持久狀況標準組合系桿最大主壓應力為13.2MPa，小于規范容許值19.4MPa，系桿的主壓應力滿足規范要求。

(2)拱肋應力驗算

表2為拱肋管管內混凝土、鋼管應力結果。

表2 拱肋管內混凝土、鋼管應力

由計算結果可知，拱肋管內混凝土及鋼管應力均滿足規范要求。施工階段過渡到運營階段后，拱肋跨中最大鋼管應力漲幅18.9%，相應的管內混凝土壓應力降幅較小，受力復雜的拱腳處鋼管包絡應力變化最大。

4 全橋穩定性分析

系桿拱橋屬于壓彎結構研究范圍，其穩定問題與強度問題有著同等重要的意義。考慮到施工階段有輔助措施保證其側向穩定，因而筆者主要針對運營階段的結構穩定性加以討論。鑒于篇幅限制，圖3僅示出前三階屈曲模態。

圖3 前3階屈曲模態

觀察發現，前三階模態均表現為拱肋面外失穩，一階模態表現為拱肋面外反對稱失穩，二階模態表現為拱肋面外單側失穩，三階模態表現為拱肋面外對稱失穩。進一步提取計算結果發現前十階屈曲模態均未出現豎向失穩，足以可見，下承式鋼管混凝土系桿拱橋的橫向穩定性遠弱于豎向穩定性。此外，第一階模態穩定系數為5.7，大于規范規定的4.0，表明基于勁性骨架法施工的系桿拱橋結構具有良好的整體穩定性。

5 結論

(1)勁性骨架法能夠有效改善因系桿拱橋施工而帶來的交通組織困境，社會和經濟效益顯著。此外，鋼管混凝土勁性骨架體系在運營階段協同變形，結構超載潛力增強。

(2)采用勁性骨架法工藝進行施工，施工階段和運營階段的構件驗算均滿足規范要求。成橋狀態的前三階屈曲模態均表現為拱肋面外失穩。一階模態穩定系數大于4.0，表明基于該工法施工的拱橋穩定性良好。