上承式鋼管混凝土拱橋管內混凝土灌注順序研究

楊東 董福民 寧曉駿 張清旭 肖峰

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2. 云南建設基礎設施投資股份有限公司 昆明 650000)

0 引言

鋼管混凝土拱橋將鋼管內部填充混凝土作為拱肋的橋梁結構，鋼管對混凝土產生套箍作用，使其處于三軸受壓狀態，而混凝土增強鋼管的穩定性[1]，2種材料的力學特性被充分地利用，整體抗壓強度和抗彎能力得到較大提高。作為一種被廣泛應用的新型鋼混組合材料[2]，它具有高強質輕、承載能力高、施工方便、抗疲勞能力強、景觀效果好等特點[3-4]。

拱肋混凝土灌注是鋼管混凝土拱橋施工的關鍵階段之一[5]，不同灌注方案對拱肋的內力、位移及穩定性都有較大的影響，甚至影響運營階段時橋梁結構安全性，需要在施工中加以重視。眾多學者對管內混凝土灌注施工進行了研究，張忠等[6]對3種混凝土灌注拱肋施工進行有限元分析，并得出不同混凝土在不同灌注方式下的應力、變形規律；潘棟等[7]使用智能主動調載比選24種灌注順序，確定出“先內后外，最后灌注下弦”為最優方案；楊小森等[8]研究管內混凝土施工中的彈性和彈塑性穩定安全系數，并對混凝土灌注順序進行優化；馮偉[9]提出混凝土灌注期間拱腳應力較大，拱頂變形較大，得出先灌下管后灌上管是合理的灌注順序的結論；許波[10]對3種拱肋灌混凝土方法進行靜力特性和穩定性分析，認為分段內填混凝土對拱肋應力狀況有一定的改善。本文以某上承式鋼管混凝土拱橋為模型，劃分出8種管內混凝土灌注順序，對不同灌注順序對結構應力和位移的影響程度進行比選，提出較為合理的施工順序優化方案。

1 工程背景

云南某上承式鋼管混凝土拱橋拱跨195 m，矢高39 m，矢跨比1/5，橋面寬27.1 m，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數為1.543。主拱肋為四肢桁架式鋼管混凝土，上、下弦拱肋采用變截面鋼管，管徑由拱腳φ1 000×28 mm 變至拱頂φ1 000×20 mm，管內灌注C50自密實微膨脹混凝土。拱上橋跨共13 孔，單孔跨徑為16 m，拱上立柱采用排架式，立柱管徑φ600×16 mm。拱肋、立柱、橫撐、斜撐等鋼材均采用Q345鋼。橋型立面布置如圖1所示。

圖1 橋型立面布置(單位:cm)

2 管內混凝土灌注方案

2.1 管內混凝土灌注方法

泵送頂升法是鋼管混凝土在拱橋結構中得到應用的重要技術基礎[11]，利用混凝土泵送機械和輸送管道把未凝固的混凝土從拱腳至拱頂對稱灌入鋼管拱肋中，鋼管為混凝土起到模板作用，減少模板和腳手架的使用量；并且拱上立柱和橋面板的預制等工序可同時進行，相比普通鋼筋混凝土拱橋的施工工期縮短約30%。鋼管混凝土拱橋泵送頂升一般分為一次性連續泵送和分級泵送，后者適用于跨徑較大、泵送頂升高度較高的拱結構，但使用分級泵送時必須要確保分級接觸部位的混凝土密實。

鋼管內混凝土灌注方式為兩個半跨對稱加載，具體操作為：拱腳開注漿口接進料管進行注漿；在1/4拱肋截面處設置混凝土接力點再次注漿；拱頂開排漿口接排漿管，混凝土泵送至拱頂從排漿口溢出時停止注漿；以橋梁中線為對稱軸，上下游拱肋同時進行對稱灌注。管內混凝土灌注過程中，梁半跨灌注進度差不應超過5 m，同一根鋼管灌注時間應少于管內混凝土初凝時間，同時混凝土的上升高度應滿足設計要求。

2.2 管內混凝土灌注順序劃分

早期的鋼管混凝土拱橋的管內混凝土灌注順序常靠經驗擬定，往往存在一定的盲目性。在不同灌注順序下，拱肋結構的應力、變形有顯著的差異，對施工階段主拱圈的穩定性也有一定影響。為使得拱肋鋼管應力盡量減小，線形達到最優和穩定性最好，故管內混凝土合理灌注順序的研究必不可少[12]。鋼管混凝土拱橋灌注管內混凝土的順序根據上下弦管主要分為“先上后下法”和“先下后上法”，拱肋鋼管編號見圖2，依據背景橋梁為四肢桁架式拱肋的特點，將2種方法進行細化并拓展出先內后外、先外后內和上下交替的灌注順序，共形成8種管內混凝土灌注順序，如表1所示。

圖2 拱肋鋼管編號示意

表1 管內混凝土灌注順序說明

3 有限元模型建立

使用橋梁有限元軟件MIDAS-Civil建立三維空間計算模型，結構計算分析采用空間桿系理論[13]，混凝土主梁、蓋梁、立柱、拱肋、橫撐、斜撐、腹桿等均采用空間梁單元模擬。拱腳采用固結，拱肋與立柱為共節點連接，立柱與蓋梁的連接使用剛性連接，支座使用彈性連接模擬。鋼管混凝土拱肋，運用組合結構的計算思想，模擬時建立雙材料單元，借助于Midas軟件的聯合截面功能實現。有限元模型共劃分為3 019個梁單元、2 254個節點，橋梁結構模型如圖3所示。

圖3 橋梁結構模型

為分析不同混凝土灌注順序對拱肋的應力和變形的影響，根據劃分出的8種灌注順序建立8組有限元分析模型，并使用軟件中的施工階段分析功能，按照表1分別定義不同的施工順序，然后進行下一步分析。

4 灌注順序對拱肋應力的影響

4.1 拱肋應力峰值分析

在分析灌注順序對拱肋鋼管和混凝土的應力影響時，選取各混凝土灌注順序澆筑完成，即將成拱階段作為關鍵控制階段進行研究，比較各種順序的拱肋應力峰值。各模型在施工荷載作用下拱肋應力峰值如表2所示。

表2 各模型成拱階段主拱弦管應力峰值

以先下后上法模型(模型5、6、7、8)對應的拱肋鋼管壓應力最大值為參考值，計算出應力比較系數(應力比較系數=先上后下法模型鋼管最大壓應力/先下后上法模型鋼管最大壓應力)。 其中，將模型1和模型5、模型2和模型6、模型3和模型7、模型4和模型8共4組數據進行對比。各組模型在施工階段荷載作用及不同上下灌注順序下的拱肋鋼管應力比較系數如表3所示。

表3 上下順序的鋼管應力比較系數

使用類似的方法，分別計算內外灌注順序下的應力比較系數和上下交替灌注順序下的應力比較系數。各組模型在施工階段荷載作用下，拱肋鋼管在內外順序不同和有無上下交替順序下的應力比較系數如表4和表5所示。

表4 內外順序的鋼管應力比較系數

由表3—表5可看出：①先上后下法與先下后上法相比，應力峰值均有所增加，漲幅在2%～4%之間，說明灌注順序使用先上后下法時，鋼管應力峰值比先下后上法略大；②先內后外法與先外后內法相比，應力峰值減小僅為 1%～2%，因此，分內外灌注混凝土的順序對主拱鋼管應力峰值影響較小；③無上下交替和有上下交替進行對比，應力峰值比較接近，變化僅在1%左右，說明上下交替灌注混凝土的方法對鋼管應力峰值影響較小。

表5 有無上下交替順序應力比較系數

4.2 關鍵截面應力分析

管內混凝土的應力較小，說明拱肋主要應力由鋼管承擔。除研究應力峰值外，細化到每根弦管，選取5個主要拱肋截面(拱腳截面、1/8L截面、1/4L截面、3/8L截面、拱頂截面)的應力值大小，以此來分析不同灌注順序對拱肋的影響程度。

根據分析數據總結發現：在同一種灌注順序下，下弦管(鋼管1和鋼管3)2管對應各截面的應力值大小非常接近，且變化趨勢相同，上弦管(鋼管2和鋼管4)同理。分析所有弦管過于繁雜，因此僅以鋼管3代表下弦管、鋼管4代表上弦管進行應力分析。

選取僅上下澆筑順序不同的模型1和模型5對拱肋鋼管各截面位置應力的影響進行分析，應力對比圖如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5對比可知：下弦管拱腳截面到拱頂截面，鋼管壓應力逐漸減小；上弦管拱腳到拱頂截面，鋼管壓應力逐漸增大;拱腳截面至1/4L截面，模型1主管壓應力大于模型 5 的壓應力；1/4L截面至拱頂截面，模型1主管壓應力逐漸小于模型5。同理，模型2與模型6、模型3與模型7、模型4與模型8進行應力對比亦可得出以下結論：先下后上法對拱腳至1/4L截面的主管壓應力有所改善；采取措施適當降低拱腳壓應力，增大拱頂壓應力，能使弦管應力分布更加均勻，對整個拱結構有利。

圖4 模型1和模型5下弦管各截面應力對比

圖5 模型1和模型5上弦管各截面應力對比

選取僅內外澆筑順序不同的模型1和模型2對上下弦管各截面應力對比，如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知：模型1和模型2的應力變化線幾乎重合，2種灌注順序下，鋼管壓應力差距較小，變化趨勢相同。模型3與4、模型5與6、模型7與8進行應力對比可得到相同結論，即不同內外灌注順序對鋼管各關鍵截面應力的影響并不明顯。

圖6 模型1和模型2下弦管各截面應力對比

圖7 模型1和模型2下弦管各截面應力對比

用類似的分析方法可以得出，是否采用上下交替方法灌注混凝土對鋼管各截面應力影響很小，此處不再贅述。經過對比分析，先下后上法灌注管內混凝土使拱肋應力更小，利于結構受力。在實際工程施工中，采用先下后上法的同時分段灌注拱肋混凝土，可使管內混凝土更加密實，同時改善了主管應力[10]。

5 灌注順序對拱肋變形影響分析

為研究灌注順序對鋼管拱肋的變形影響，主要選取拱腳截面、1/4L截面和拱頂截面在成拱階段的變形情況進行分析，成拱階段各模型關鍵截面位移見表6。

表6 各模型成拱階段關鍵截面位移 mm

由表6可知：各截面的變形中拱頂的位移最大，因此選取成拱階段拱頂截面在不同混凝土灌注順序下的變形進行圖文分析。選取上下不同灌注順序的模型2和模型6、內外不同灌注順序的模型3和模型4、不同交替灌注順序的模型6和模型8進行對比，各拱肋弦管拱頂變形情況對比如圖8—圖10所示。

由圖8可知：鋼管1—4在使用先下后上法澆筑混凝土時的拱頂變形均小于先上后下法；由圖9可知：鋼管1和鋼管2(外側弦管)在使用先外后內法的拱頂變形比先內后外法大，對于鋼管3和鋼管4(內側弦管)，先外后內法的拱頂位移小于先內后外法；由圖10可知：鋼管1—4在使用上下交替法的拱頂變形大于未使用上下交替法，但差值較小。

圖8 模型2和模型6拱頂變形對比

圖9 模型3和模型4拱頂變形對比

圖10 模型6和模型 8 拱頂變形對比

為進一步了解不同灌注混凝土順序對拱肋鋼管變形的影響，計算出各模型的拱頂平均位移如表7所示。

通過表7可以發現，先下后上法的拱頂位移較先下后上法偏大，均在64 mm以上，其中模型2的位移最大，為64.885 mm；先下后上法的位移均未超過64 mm，其中模型5的位移最小，為63.709 mm。

表7 拱頂平均位移 mm

6 結論

通過MIDAS-Civil有限元軟件對某上承式鋼管混凝土拱橋進行建模，使用8個模型將先下后上法、先上后下法、先內后外法、先外后內法和上下交替法互相組合，分析了不同灌注管內混凝土順序對模型成拱階段的應力和拱肋變形的影響，得出以下結論：

(1)先下后上法灌注管內混凝土時，拱肋應力峰值和變形均小于先上后下法。

(2)內外順序和上下交替對拱肋應力和變形的影響較小。

(3)經過對8組模型拱肋應力和變形的綜合分析，認為模型5即先下后上法+先內后外法為最優方案。

(4)在實際施工時，應優先考慮選用先下后上法灌注管內混凝土，采取措施適當降低拱腳壓應力，增大拱頂壓應力，可使弦管應力分布更加均勻。