大跨度鋼管混凝土勁性骨架拱圈外包混凝土澆筑過程力學(xué)行為研究

摘要：為研究單工作面澆筑對(duì)拱圈外包混凝土施工過程的影響，文章依托某在建大跨度鋼管混凝土勁性骨架拱橋，利用有限元計(jì)算程序MIDAS Civil建立全橋分析模型，對(duì)拱圈外包混凝土分環(huán)分段澆筑過程中的外包混凝土應(yīng)力、主弦管鋼管應(yīng)力及拱圈變形情況進(jìn)行研究。結(jié)果表明：?jiǎn)喂ぷ髅鏉仓鹿叭ν獍炷翍?yīng)力總體為逐漸增大，局部位置有突變；由于拱架和外包混凝土的聯(lián)合作用，以第一環(huán)外包混凝土合龍為分界點(diǎn)，弦管鋼管未包的最大應(yīng)力為先增大后減小；拱圈變形表現(xiàn)為“上下交替”出現(xiàn)“反拱”現(xiàn)象，但整體上隨外包混凝土澆筑呈增大趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：大跨度鋼管混凝土拱橋；勁性骨架；外包混凝土；分環(huán)分段；單工作面澆筑；力學(xué)行為

中圖分類號(hào)：U448.22

0 引言

我國(guó)屬于多山地區(qū)，特別是西南地區(qū)分布著較多的U型或V型峽谷，而鋼管混凝土勁性骨架拱橋以其跨越能力強(qiáng)、受力性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)剛度大、耐久性好及養(yǎng)護(hù)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)在山區(qū)得到大力發(fā)展［1］。鋼管混凝土勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土采用分段施工、逐步形成剛度和強(qiáng)度，并與拱架產(chǎn)生聯(lián)合作用共同承擔(dān)后面澆筑混凝土濕重。

目前已有部分學(xué)者對(duì)鋼管混凝土勁性骨架拱圈外包混凝土施工進(jìn)行了相關(guān)研究，常柱剛等［2］指出，如果忽略先期混凝土與拱架的聯(lián)合作用，將會(huì)造成計(jì)算得到的拱架和外包混凝土應(yīng)力增大；蘇延文等［3］認(rèn)為混凝土的分布加載即“縱向分環(huán)”“橫向分段”降低了該類拱橋的施工難度，是其跨徑突破的重要工藝創(chuàng)新；謝開仲等［4］通過最優(yōu)化原理求取外包混凝土分環(huán)分段數(shù)量設(shè)置的最優(yōu)解；王小飛［5］通過數(shù)值分析研究了不同縱向分環(huán)、橫向分段澆筑方案對(duì)拱架受力及撓度的影響；林春姣等［6］通過澆筑過程中控制截面的應(yīng)力過程線分析了四工作面澆筑方法下勁性骨架的變形和應(yīng)力。

然而以上學(xué)者大多都是從多工作面均衡澆筑的角度下研究拱圈外包混凝土澆筑過程中的力學(xué)行為，對(duì)單工作面澆筑鮮有研究。為此，本文依托某一在建工程，研究單工作面澆筑下拱圈外包混凝土分環(huán)分段澆筑過程中的外包混凝土應(yīng)力、主弦管鋼管應(yīng)力及拱圈變形，以期為同類型橋梁借鑒和參考。

1 工程概況

某橋?yàn)橐蛔鳂蜷L(zhǎng)370 m，凈跨徑為350 m的上承式勁性骨架混凝土拱橋，矢跨比為1/4. 拱軸系數(shù)為2.1。主拱采用等截面懸鏈線無鉸拱，拱圈采用C55混凝土，為兩條拱肋，拱肋間以橫聯(lián)連接，每拱肋為單箱雙室截面，橫橋向?qū)? m，縱向采用外形等高5.8 m。拱圈標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚0.4 m，腹板厚0.3 m。拱腳設(shè)置2 m實(shí)心段和2 m過渡段；過渡段至第一根立柱間設(shè)兩個(gè)漸變段，拱圈頂、底板厚度分兩次漸變，分別由0.8 m漸變至0.6 m，再漸變至0.4 m，漸變段長(zhǎng)度均為4.5 m；邊腹板厚度由0.55 m一次漸變至0.3 m，漸變段長(zhǎng)度為4.5 m，拱腳至第一道隔壁間拱圈每方混凝土摻入60 kg鋼纖維。大橋整體布置如圖1所示。

勁性骨架為型鋼與鋼管混凝土組成的桁架結(jié)構(gòu)，每拱肋上、下各設(shè)3根主弦管，其直徑為508 mm、壁厚為14（18/22） mm，采用Q390鋼材，內(nèi)灌C120補(bǔ)償收縮自密實(shí)混凝土。弦桿通過橫聯(lián)角鋼和豎向角鋼連接成型鋼-鋼管混凝土桁架，在拱肋橫聯(lián)相應(yīng)位置設(shè)交叉撐，加強(qiáng)橫向連接。

2 拱圈外包混凝土澆筑方案及有限元模型

2.1 拱圈外包混凝土澆筑方案

拱圈外包混凝土豎向共分為兩環(huán)，第一環(huán)全橋共分為16個(gè)工作面，每個(gè)工作面分為7個(gè)工作段；第二環(huán)全橋共分為16個(gè)工作面，每個(gè)工作面分4個(gè)工作段，具體分環(huán)分段方案如下頁圖2所示。外包混凝土第一環(huán)澆筑順序見下頁表 第二環(huán)澆筑順序見下頁表2（注：表2中i-j-k表示外包混凝土澆筑第i環(huán)第j工作面第k工作段）。

2.2 有限元模型的建立

本文利用Midas Civil軟件對(duì)全橋的拱圈外包混凝土施工過程進(jìn)行分析計(jì)算。其中主弦管采用組合截面模擬，外包混凝土采用組合梁截面模擬，腹桿、平聯(lián)等型鋼均采用梁?jiǎn)卧M。采用程序自帶的激活和鈍化功能模擬拱圈外包混凝土的澆筑過程。拱圈外包混凝土在形成強(qiáng)度之前其濕重采用梁?jiǎn)卧奢d的形式施加在拱架上，待其形成強(qiáng)度后激活對(duì)應(yīng)的梁?jiǎn)卧⑩g化濕重荷載從而承擔(dān)后續(xù)施工荷載。拱圈外包混凝土的收縮徐變模型采用CEB-FIP（2010）模型。勁性骨架和拱圈外包混凝土之間采用剛性連接進(jìn)行約束，保證變形協(xié)調(diào)，拱腳位置處采用全固結(jié)約束。全橋結(jié)構(gòu)離散共計(jì)4 302個(gè)節(jié)點(diǎn)，9 437個(gè)單元。大橋拱圈外包混凝土有限元模型如圖3所示。

3 拱橋外包混凝土澆筑計(jì)算結(jié)果分析

3.1 外包混凝土應(yīng)力

施工過程中拱圈外包混凝土應(yīng)力是控制性指標(biāo)之一，為了防止其在澆筑過程中出現(xiàn)拉應(yīng)力超限，產(chǎn)生裂縫，因此其應(yīng)力必須控制在規(guī)范或設(shè)計(jì)要求內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，外包混凝土在澆筑過程中各施工階段最大的壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示，最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖4可以看出，單工作面澆筑下各施工階段的拱圈外包混凝土最大壓應(yīng)力總體呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，在澆筑結(jié)束時(shí)壓應(yīng)力為9.3 MPa，小于C55的抗壓應(yīng)力限值。其中局部地方出現(xiàn)跌宕起伏，產(chǎn)生突變，這是由單工作面澆筑引起的必然結(jié)果。施工方案為了保證施工可行和拱圈混凝土拉應(yīng)力在規(guī)范或設(shè)計(jì)要求內(nèi)，采用的不是多工作面均衡澆筑和從拱腳到拱頂依次單工作面澆筑，這就導(dǎo)致了各施工階段的最大壓應(yīng)力值不是一直增大且出現(xiàn)的位置也在不斷改變，從而產(chǎn)生突變。

由圖5可以看出，拱圈外包混凝土在澆筑過程中，各施工階段最大拉應(yīng)力為1.2 MPa，小于C55的抗拉應(yīng)力限制，說明在澆筑過程中沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力超限的情況，不會(huì)產(chǎn)生裂縫。

3.2 主弦管鋼管應(yīng)力

鋼管混凝土勁性骨架混凝土拱橋的主弦管為鋼管混凝土，弦管隨著外包混凝土的澆筑而逐漸被包裹，產(chǎn)生聯(lián)合作用，與混凝土共同承擔(dān)后續(xù)混凝土的濕重與施工荷載，整體剛度也逐漸增大。但隨著混凝土的不斷加載，未被包裹的弦管鋼管應(yīng)力在不斷地疊加，因此在澆筑過程中未被混凝土包裹的弦管，其鋼管應(yīng)力也是其施工過程的一個(gè)控制性指標(biāo)。利用Midas Civil有限元程序進(jìn)行計(jì)算，其主弦管鋼管未包應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，在施工過程中弦管鋼管未包的最大應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的走向。拱圈一環(huán)澆筑過程中其弦管鋼管未包的最大應(yīng)力總體呈上升趨勢(shì)，其最大應(yīng)力為266.5 MPa，發(fā)生在施工階段1-2-7，這是由于拱圈外包混凝土第一環(huán)還未合龍，整體剛度還未形成，部分荷載還是主要由拱架承受，也就導(dǎo)致了鋼管應(yīng)力逐漸增大。二環(huán)澆筑過程中其弦管鋼管未包的最大應(yīng)力總體呈下降趨勢(shì)，在拱圈合龍前的最后一個(gè)施工階段其鋼管未包的應(yīng)力為198.1 MPa，這是因?yàn)榈谝画h(huán)拱圈外包混凝土已經(jīng)合龍，整體剛度已經(jīng)形成，拱架和混凝土產(chǎn)生聯(lián)合作用，承擔(dān)著后續(xù)施工絕大部分荷載，拱架所承擔(dān)的荷載占比越來越小，因而其鋼管未包的最大應(yīng)力也逐漸減小。

3.3 拱圈變形

根據(jù)有限元模型，沒有其他輔助調(diào)載的措施下，計(jì)算拱圈的變形情況，即各個(gè)施工階段下拱圈的最大變形值。其計(jì)算結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，拱圈變形隨著外包混凝土的澆筑整體呈增大趨勢(shì)，拱圈外包混凝土一環(huán)澆筑結(jié)束拱圈最大變形為381 mm；二環(huán)澆筑結(jié)束拱圈最大變形為458 mm。另外，拱圈的變形不是逐漸增大的，而是出現(xiàn)了反復(fù)上下變形，這是由于相比于多工作面均衡澆筑，單工作面澆筑是局部加載，也就會(huì)導(dǎo)致拱圈出現(xiàn)上下反復(fù)變形，即“反拱”現(xiàn)象。同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致弦管鋼管的應(yīng)力不是逐漸變大，與拱圈變形一致，其應(yīng)力值會(huì)產(chǎn)生突變。因此，為了能夠減小拱圈施工過程中的上下變形差值，并且保證施工過程的安全，在施工前需要對(duì)單工作面的澆筑方法進(jìn)行一定的優(yōu)化對(duì)比分析。

4 結(jié)語

本文以某在建勁性骨架拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^Midas Civil軟件分析了單工作面澆筑下拱圈外包混凝土分環(huán)分段澆筑過程中的外包混凝土應(yīng)力、主弦管鋼管應(yīng)力及拱圈變形，得出以下結(jié)論：

（1）單工作面澆筑下拱圈外包混凝土應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)突變的現(xiàn)象，但總體走向?yàn)橹饾u變大。

（2）在整個(gè)拱圈外包混凝土澆筑過程中，由于外包混凝土和拱架的聯(lián)合作用，整體結(jié)構(gòu)剛度逐漸增大，以第一環(huán)拱圈外包混凝土合龍為分界點(diǎn)，弦管鋼管未包的最大應(yīng)力表現(xiàn)為先增大后減小。

（3）單工作面澆筑下拱圈變形出現(xiàn)上下變形，產(chǎn)生反拱。為了減小施工過程中拱圈的上下變形差值及保障施工安全，在施工前需要對(duì)單工作面的澆筑方法進(jìn)行一定的優(yōu)化對(duì)比分析，找到合理的澆筑方法。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-10-09

作者簡(jiǎn)介：彭一倜（1990—），碩士，工程師，主要從事道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理工作。