混凝土壓注工序對鋼管混凝土拱橋內力分布的影響研究

李臣嶸，李利，李明，胡宗軍，牛忠榮

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.中鐵上海工程局建筑工程有限公司，上海 200436）

鋼管混凝土拱橋憑借著其優越的性能以及較高的經濟效益[1]，扮演了我國過去幾十年橋梁快速發展歷程中重要的角色。鋼管混凝土拱橋結構性能優勢明顯[2]，原因在于鋼管和混凝土在相互制約的受力過程中，充分發揮了各自力學性能的優勢。混凝土受到鋼管的約束，使得其極限壓縮應變提升，增大了結構承載力，蠕變速率相對于普通混凝土也有所降低[3]。而鋼管由于混凝土的填充，也保證了鋼管的局部穩定。因此，鋼管混凝土結構呈現出能充分發揮混凝土的抗壓性能，以及鋼材的抗拉能力、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊性能好等等的特點。由于工程材料和施工技術的進步，我國鋼管混凝土拱橋的跨徑已由四川省旺蒼市境內1990年建成的東河大橋的110m發展至四川省瀘州市境內2013年建成的合江長江一橋的530m。

鋼管混凝土拱橋的建成須先完成拱肋結構的拼裝合龍，進而再向鋼管內壓注混凝土形成鋼管混凝土結構，最后根據設計方案完成橋梁建成。對于鋼管混凝土拱橋而言[4]，拱結構內力分布以及拱肋線性變化是否合理是決定橋梁能否安全落成的關鍵因素，而向鋼管壓注混凝土的施工方案將對鋼管混凝土拱橋內力產生顯著影響。Milan等[5]通過四種實驗方法，分析了管內混凝土初步壓注階段，可對鋼管結構施加初應力，從而提升了鋼管混凝土截面強度。劉斌[6]采用組合空間梁單元法，有效模擬了啞鈴型鋼管混凝土拱橋的混凝土灌注施工過程。認為不同混凝土灌注順序對該類拱橋影響較小。王元清等[7]分析了鋼管混凝土拱橋施工過程的線性和非線性穩定性，并認為鋼管混凝土已灌注，但還未形成強度時，拱橋整體穩定性最低；當混凝土剛度形成以后，整體穩定性最高。白應華等[8]對鋼管混凝土對稱灌注過程進行了仿真計算，認為混凝土灌注完成后將大幅提升整體剛度，采用對稱壓注可保證拱圈結構安全。孫九春等[9]認為影響混凝土灌注順序的重要因素是各弦管的剛度分配能力，延長各管灌注混凝土間隔時間，降低應力效果并不明顯。

本文依托奉節梅溪河特大橋施工為工程背景，按照實際結構設計尺寸和施工工序建立有限元模型，并采用雙單元法有效模擬鋼管混凝土組合材料，提出了4種不同壓注順序的方案進行有限元計算，通過分析各施工階段下結構應力發展趨勢，研究不同混凝土壓注方案對拱橋內力的影響，并優選壓注混凝土的施工方案。

1 工程概況

重慶奉節梅溪河特大橋位于重慶市奉節縣梅溪河長江入口上游約1.5km處，主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋，鋼桁拱肋為勁性骨架，弦管材質為Q390D，主弦管及橫梁弦管內灌注C60自密實無收縮混凝土，拱圈勁性骨架外包C55補償收縮混凝土。主拱肋為變寬變高鋼桁拱架，拱跨340m，矢高74m。主拱圈平面呈X形，分為拱腳分叉段和拱頂合并段，分叉段半幅采用三道橫梁連接，拱箱外緣高度由拱腳處高11m變至拱頂處高6m。梅溪河特大橋的施工過程主要包括建立斜拉扣掛體系（如圖1所示），對拱肋預制節段吊裝拼裝，壓注管內混凝土，拆除扣索錨索，外包拱肋骨架混凝土，建立拱上墩柱以及橋面系等。

圖1 梅溪河特大橋斜拉扣掛系統結構圖

2 力學分析模型的建立

2.1 力學模型設定

梅溪河特大橋拱肋主弦管尺寸為φ750mm×24mm，聯接系為四肢組合角鋼結構，材料采用Q390D，其許用應力值為295MPa。拱肋總計用鋼量4083.3t[10]。如圖2所示，河岸每側拱肋分為16個節段，通過斜拉扣掛系統進行懸臂拼裝，通過調整扣索和錨索索力將各拱肋節段吊裝至設計高度，在拱肋線形達到合龍要求后再完成拱肋合龍。

圖2 梅溪河特大橋半幅拱肋施工圖

梅溪河特大橋主弦管按照上下游、內側外側、上下弦的位置分布，如圖3所示。拱肋主弦管及橫梁弦管內設計采用C60微膨脹自密實混凝土壓注填充，其抗壓設計值為27.5MPa，抗拉設計值為2.4MPa。待拱肋鋼骨架完成合龍后，河岸兩側拱腳位置開制壓注孔，拱頂開制出漿孔，按照設定的鋼管內混凝土壓注順序，利用高壓輸送泵同時對稱從拱腳向拱頂推進，在完成壓注后采用敲擊法或超聲波法檢測壓注質量，確保鋼管與管內混凝土貼合密實。

圖3 梅溪河特大橋主弦管分布圖

根據梅溪河特大橋實際結構，采用有限元分析軟件Midas Civil對其建立力學模型，如圖4所示。整個模型共建立了3521個節點，包含6706個各類型單元，拱肋鋼結構采用梁單元模擬，而扣索結構采用桁架單元進行模擬。力學模型中拱肋結構需要考慮吊耳、匹配件、拱圈爬梯等等附屬結構重量，因此通過修正力學模型中拱肋各節段材料容重，保證力學模型單元重量與實際材料重量一致。梅溪河特大橋在完成拱肋合龍施工后，拱肋由兩側懸臂結構轉換為完整拱結構，因此在對拱肋鋼管內混凝土壓注的施工過程中，將扣索于交界墩和扣塔上的錨固節點以及拱腳單元所包含節點均設置為固接的邊界條件。

圖4 梅溪河特大橋力學模型

2.2 拱肋結構有限元模擬方法

鋼管混凝土是組合材料結構形式，其與單一材料不同的是兩種材料在拱受力過程中均發揮出各自材料的優勢，可良好發揮出組合材料的力學屬性。目前對鋼管混凝土結構進行力學分析方法可分為纖維模型法和有限單元法兩大類。其中纖維模型法中包含換算材料法、統一理論法、雙單元法。其中換算材料法即將組合材料截面中的混凝土換算成鋼材，或者將鋼材換算成混凝土進行計算，可以得到材料全截面的應力情況。統一理論法是在實驗研究的基礎上，將鋼管混凝土視作一種組合材料，并考慮了鋼管對混凝土的套箍作用。但是上述兩種方法無法得出拱肋截面中鋼材和混凝土各自的應力情況。應用雙單元法建立梅溪河特大橋有限元模型時，即在拱肋空間位置上的兩個節點之間，根據拱肋骨架實際結構設計尺寸，分別建立鋼管梁單元和混凝土梁單元，如圖5所示。兩梁單元空間位置重疊，但材料屬性、截面屬性分別屬于各自材料特性，也可分別得到鋼材和混凝土的工作應力情況。

圖5 雙單元法示意圖

對鋼管混凝土結構的力學分析也可采用有限單元法，如有限元法軟件Midas Civil中提供了聯合截面法進行力學建模，其原理是將由兩種不同特性的材料構成的截面轉換為具有同一彈性模量的材料截面，通過這種等效轉換使得鋼管混凝土截面前后產生的應變相同，在建立力學模型時，只需定義構成拱肋骨架的梁單元截面為聯合截面即可。

運用雙單元法建立鋼管混凝土結構時，在管內混凝土完成壓注，但還未形成強度的施工階段下，僅激活拱肋骨架鋼管梁單元承受荷載，同時激活各節段與管內混凝土相匹配的混凝土濕重荷載。在管內混凝土經過養護形成強度后，形成完整的鋼管混凝土結構，在此施工階段下則鈍化混凝土濕重荷載，激活與鋼管梁單元同一位置的混凝土梁單元，從而形成雙單元結構。而運用聯合截面法時，則需要定義聯合截面中鋼材和混凝土材料的材齡和強度，并設定兩者在不同施工階段下的激活或者鈍化，以此匹配鋼管混凝土拱橋在不同施工階段下的截面屬性。將力學計算結果對比后，發現兩種方法所得結果之間近似無差異。本文采用雙單元法對梅溪河特大橋鋼管內部混凝土壓注施工過程，應力響應進行有限元分析。

3 鋼管內混凝土壓注方案

拱肋主弦管內混凝土壓注順序不同會對拱肋結構內力分布造成影響。但根據現場施工條件及拱肋實際結構分析，只可將上、下游對稱的兩根主弦管按先上游后下游的順序進行連續壓注，即上游弦管壓注完成后即壓注對稱位置下游弦管，保證上游弦管內部已完成壓注的混凝土，在下游弦管內混凝土完成壓注前尚未初凝。不考慮先完成上游側（或下游側）所有弦管內混凝土壓注方案。基于此前提，提出以下4種壓注方案進行有限元計算并將結構工作應力結果進行對比，各方案壓注順序如下圖所示。

方案1按照先下弦鋼管，后上弦鋼管的原則進行壓注。方案2按照先內側，后外側的原則進行壓注，例如完成了下弦內側鋼管的壓注后，進行上弦內側鋼管的壓注。方案3按照先外側，后內側的原則進行壓注，例如完成了下弦外側鋼管的壓注后，進行上弦外側鋼管的壓注。方案4按照先上弦鋼管，后下弦鋼管的原則進行壓注。

4 壓注方案下拱肋應力結果分析

按照上節所提出的4種鋼管管內混凝土壓注方案進行有限元法計算。對每個壓注方案，本文都按照4個步驟完成對八根拱肋主弦管壓注的有限元力學分析，分施工階段對鋼管應力分布計算結果進行對比（圖6）。

圖6 施工中4種壓注方案下鋼管最大應力變化趨勢

4.1 拱肋鋼管最大應力

在4種壓注方案下，采用有限元法分別進行力學分析，4種方案下拱肋鋼管最大應力計算結果見圖6。隨著每施工階段內鋼管管內混凝土完成壓注，拱肋骨架最大應力逐漸上升。其中按照方案4進行壓注的拱肋鋼管，其最大應力相較于前3種方案都高出約20MPa，其原因是方案4是4種方案中唯一先從拱肋上弦部分鋼管進行壓注的方案。在完成第一步驟內的管內混凝土壓注并形成強度后，方案4下的拱肋鋼管最大應力為-110.6MPa，位于拱肋八分之一位置的下弦鋼管，其余3個方案下的拱肋鋼管最大應力均約為-94MPa。

方案1，2和4雖對鋼管內混凝土壓注順序不同，但是均從拱肋下弦部分鋼管進行第一步驟內的混凝土壓注。由圖6結果可見前3種方案下的拱肋鋼管最大應力發展趨勢均無較大差別。在完成所有拱肋鋼管內混凝土壓注后，拱肋鋼管最大應力方案1為-144.1MPa，方案2為-143.2MPa，兩者相差無幾。但方案3的拱肋鋼管最大應力上升為-155.2 MPa。方案1和方案2在最后步驟中完成壓注的是拱肋上弦外側鋼管，而方案3在最后步驟中完成壓注的是拱肋上弦內側鋼管。因此根據有限元法計算結果對比分析，提出鋼管混凝土拱橋的管內混凝土壓注施工方案應遵循“先下弦，后上弦；先內側，后外側”的鋼管壓注原則。

4.2 拱肋混凝土最大應力

管內混凝土壓注成型后形成強度，成為拱肋骨架受力結構的一部分，因此依據混凝土應力發展趨勢，同樣可以對比出各壓注方案的優劣。由圖7結果可以看出，隨著施工階段的推進，方案4的混凝土應力仍要大于前3種壓注方案。但在完成所有管內混凝土壓注，并形成強度后（即S9施工階段），各壓注方案下的混凝土應力情況有所不同。圖8為該施工階段下拱肋各位置鋼管內混凝土的應力分布情況。方案4下的拱肋拱頂管內混凝土應力值最大，為-6.2MPa。方案1、2、3下的混凝土應力分布相同，八分之一拱肋處的鋼管內混凝土應力最大，而拱肋拱頂位置處的管內混凝土應力最小；其中方案3的混凝土應力最大值為-5.84MPa，方案2為-4.76MPa，方案1為-4.6MPa。

考慮梅溪河特大橋在完成管內混凝土壓注后，后續進行外包拱肋骨架混凝土、構筑拱上墩柱以及橋面系等施工內容，故當前施工階段下所計算結構應力值越小，更有利于拱橋后續施工和使用階段的結構安全。因此綜合對比各壓注方案下工作應力的有限元法計算結果，本文提出壓注方案1為梅溪河特大橋優選的拱肋鋼管混凝土壓注施工方案。

圖7 四種壓注方案下混凝土應力變化趨勢

5 結論

圖8 四種壓注方案下拱肋各位置混凝土最大壓應力

本文以梅溪河特大橋拱肋骨架鋼管管內混凝土壓注施工過程為研究對象，應用雙單元法建立拱肋骨架力學分析模型，即在拱肋空間位置上的兩個節點之間，根據拱肋骨架實際結構尺寸，分別建立鋼管梁單元和混凝土梁單元。根據現場實際施工工序設定有限元模型中的施工階段，提出4種不同壓注方案進行有限元法計算。根據計算結果可得以下結論：

①通過對比拱肋鋼管應力發展趨勢可得，鋼管管內混凝土遵循“先下弦，后上弦；先內側，后外側”的壓注原則，可使鋼管所受工作應力更小，施工后拱肋骨架結構更安全。

②通過對比拱肋混凝土應力的發展趨勢可得，先壓注上弦部分鋼管的方案4下的拱肋拱頂管內混凝土應力值最大。在所有鋼管管內混凝土完成壓注，并形成強度的施工階段，綜合對比拱肋各位置的混凝土應力分布情況，方案1即先壓注下弦內側鋼管，接著壓注下弦外側鋼管，然后壓注上弦內側鋼管，最后壓注上弦外側鋼管的混凝土壓注方案為梅溪河特大橋最優的拱肋鋼管混凝土壓注方案。本文分析結果也可為類似大跨度混凝土拱橋的管內混凝土壓注施工提供參考。