大跨徑鋼管混凝土拱橋內灌混凝土施工優化

王洋 龍靖

（重慶交通大學，重慶400074）

鋼管混凝土拱橋結合了鋼材與混凝土的優點，其套箍效應提高了混凝土的延性及承載力，且造價相對較低，在山區橋梁中修建較多。鋼管混凝土拱橋鋼管重量輕，吊裝方便，待空鋼管安裝完成后，以鋼管為模板向內灌注混凝土。鋼管混凝土拱橋截面剛度隨灌注混凝土增加逐漸增加，因此管內混凝土灌注方案不同，荷載作用位置不同，鋼管受力會有一定差異，且施工過程拱肋穩定性也會有影響。一種較優的灌注方案應使鋼管受力較均勻，施工過程結構穩定性較好。

圖1 某大跨徑鋼管混凝土拱橋內灌順序

1 優化方案提出依據

目前管內混凝土灌注通常為單根鋼管灌注，南北岸對稱從拱腳向拱頂灌注。灌注過程混凝土自重作用未經過橋軸線將產生扭矩導致主拱扭轉；單根主鋼管受混凝土水化熱影響溫度升高產生橫向彎矩；兩種作用均會導致主拱橫向偏位偏差，根據材料力學扭轉公式，跨徑越大，橫向偏位偏差影響越大。在某大跨徑鋼管混凝土拱橋灌注過程中測量發現，混凝土灌注完成時拱頂截面橫向偏位變化較大，大于規范規定的成拱偏位偏差值；這個偏差值瞬時存在且可恢復的，但應引起重視。根據力學原理，兩種作用效果均可以通過沿橋軸線對稱灌注兩根管內混凝土來消除，因此提出左右幅拱肋對稱同步灌注混凝土優化方案。

2 方案有限元仿真模擬對比分析

以某500m 跨徑鋼管混凝土拱橋灌注過程采用有限元軟件midas/civil 進行仿真模擬計算，模型如圖2 所示，共有節點3134個，單元6244 個，邊界拱腳處固結。本文僅對比單根灌注方案與左右幅拱肋對稱同步灌注混凝土優化方案，因此簡化為僅計算分析灌注完成兩根鋼管后結果對比，其他幾根灌注過程受力規律類似；有限元模型中施工步驟如下：方案一（單根灌注方案）：主拱鋼結構一次激活→第一根混凝土濕重荷載→激活第一根混凝土單元、鈍化濕重荷載→第二根混凝土濕重荷載→激活第二根混凝土單元、鈍化濕重荷載；方案二（左右幅拱肋對稱同步灌注混凝土方案）：主拱鋼結構一次激活→第一、二根混凝土濕重荷載→激活第一、二根混凝土單元、鈍化濕重荷載。

圖2 計算模型示意圖

2.1 施工過程橫向偏位變化

方案1 施工模擬，灌注第一根時，由于混凝土自重扭轉效應橫向偏位變化較大，灌注第二根時，橫向偏位回到初始位置，但由于第一根混凝土凝固后參與受力，橫向偏位并未完全回到初始位置，但其影響可忽略；方案2 施工模擬，由于荷載是對稱施加的，理想狀態下不會產生橫向偏位；計算結果如下表所示，由于結構對稱，僅取一側計算結果。

表1 灌注過程偏位變化值（mm）

2.2 施工過程結構穩定分析

拱橋是以受壓為主的結構，特別是鋼結構拱橋，施工過程其穩定性至關重要。通過有限元軟件屈曲模態分析，分析過程考慮鋼結構自重、混凝土濕重以及風荷載；方案1 一階失穩為橫向失穩，穩定系數為12.9；方案2 一階失穩同為橫向失穩，穩定系數為13.8；方案2 較方案1 承受2 倍的混凝土濕重荷載，但由于其荷載沿橋軸線對稱施加，且鋼管混凝土拱橋一般為面外失穩，方案2 施工過程穩定性略好于方案1。

2.3 第二根灌注完成后應力位移分析

第二根管內混凝土灌注完成后，兩種方案下主拱結構截面剛度達到同一狀態，若主管應力以及拱肋下撓值相差較小，說明兩種方案下形成的鋼管混凝土結構施工過程有差異，結果無差異。根據有限元軟件計算結果，第二根管內混凝土灌注完成后方案1 拱腳處已灌注混凝土鋼管的應力為-87.9MPa、-88.3MPa，1/4L 處應力為-65.0MPa、-65.7MPa，拱頂處應力為-61.8MPa、-62.4MPa；方案1 拱腳處已灌注混凝土鋼管的應力為-89.4MPa，1/4L 處應力為-66.4MPa，拱頂處應力為-62.5MPa；方案1 第一根混凝土凝固后與鋼管協同受力，因此方案1 鋼管應力較方案2 小。第二根管內混凝土灌注完成后方案1、方案2 主拱1/8L、1/4L、3/8L、拱頂處下撓值相差均小于1mm，可忽略不計，施工過程對高程無影響。

3 結論

通過上述兩種鋼管混凝土拱橋內灌混凝土方案有限元仿真模擬對比分析，單根混凝土灌注和左右幅拱肋對稱同步灌注混凝土高程及橫向偏位不受方案影響，方案1 鋼管應力較方案2小，最大偏差1.5MPa 左右，方案2 較方案1 穩定性較好，灌注過程不會出現拱肋橫向偏位值較大變化；方案2 兩根同時灌注，可節省工期，但對混凝土拌和站產量要求以及人員配置較高，在實際項目中，鋼管拱肋安裝完成后便存在橫向偏位偏差，加上環境溫度、混凝土水化熱等影響，如采用單根灌注，拱肋橫向偏位累計變化量極易超過規范允許值，建議采用左右幅拱肋對稱同步灌注混凝土。