雙肢啞鈴形鋼管混凝土灌注方案比較

張振宇

鋼管混凝土結構在橋梁工程中的應用已經有一百多年的歷史。早在1897年,英國的(Severn)鐵路橋建設中就采用了鋼管橋墩,當時在管中灌注混凝土主要用來防止內部銹蝕并承受壓力。在20世紀30年代末期,前蘇聯用鋼管混凝土建造了跨度101 m的公路拱橋和跨度140 m的鐵路拱橋。

我國從1959年開始研究鋼管混凝土的基本性能和應用,之后鋼管混凝土技術逐漸在建筑、冶金、造船等部門的廠房和構架中得到應用。進入20世紀80年代,鋼管混凝土在橋梁工程中開始得到研究和應用,1991年5月建成國內第一座鋼管混凝土拱橋。

鋼管混凝土是在薄壁圓形鋼管內填充混凝土而形成的一種復合材料,它一方面借助內填充混凝土增強鋼管壁的穩定性,同時又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土處于三向受壓狀態,從而使其具有更高的抗壓強度和抗變形能力。

澆筑鋼管內混凝土時,混凝土作為外荷載作用在鋼管拱肋上,因此仍由鋼管拱肋承受,應按鋼結構計算。以后隨著混凝土的凝固和強度的提高,混凝土開始與鋼管一起參與受力。后期拱上建筑、橋面系恒載和活載均由鋼管混凝土組合截面承擔。因此,雙肢啞鈴形鋼管中的三部分混凝土理論上就有三種灌注方式：1)一次泵送方式(下弦管、上弦管、腹腔混凝土一次泵送完成);2)兩次泵送方式(首先灌注下弦管混凝土,待下弦管混凝土強度達到80%以上,之后連續灌注上弦管和腹腔混凝土);3)三次泵送方式(下弦管、上弦管和腹腔混凝土分三次灌注完成)(見圖1)。

1 雙肢啞鈴形鋼管混凝土灌注方案比較

1.1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋是主跨112 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋,雙向四車道,拱肋截面為雙肢啞鈴形,拱肋鋼管材料采用Q345鋼,鋼管內灌C55混凝土,系桿采用C50混凝土箱形截面,矢跨比1/5,為在建橋梁。大橋斷桿分析采用有限元分析軟件橋梁博士進行模擬,有限元模型如圖2所示。

拱橋吊桿由左至右為1號～12號吊桿。張拉次序：2號,11號→4號,9號→6號,7號→5號,8號→3號,10號→1號,12號。三種灌注方案下,吊桿張拉次序與張拉力一致,拱橋拱肋靜力響應主要體現在應力變化和位移變化。

1.2 三種灌注方案拱肋應力變化

三種灌注方案拱肋鋼管應力變化見表1～表4。

表1 三種灌注方案拱頂上緣應力表 MPa

表2 三種灌注方案拱頂下緣應力表 MPa

表3 三種灌注方案拱腳上緣應力表 MPa

表4 三種灌注方案拱腳下緣應力表 MPa

第一次灌注混凝土后,不待混凝土強度達到80%以上,立刻進行后續施工。混凝土由于早期強度未達到設計要求,故混凝土自重荷載全部由鋼管承擔,導致拱肋鋼管應力過大,尤其是鋼管下緣應力,與其他澆筑方式相比,超出很多。而第一次灌注混凝土,嚴格保證混凝土強度達到80%,后續上弦管混凝土和腹腔混凝土是分批次灌注或者是一次性灌注,對拱肋鋼管線形影響很小,其中兩次灌注比三次灌注應力只略大1 MPa左右。

1.3 三種灌注方案拱肋位移變化

三種灌注方案拱肋位移變化見表5～表7。

表5 一次灌注方案拱頂位移影響 cm

表6 兩次灌注方案拱頂位移影響 cm

表7 三次灌注方案拱頂位移影響 cm

第一次灌注混凝土后,不待混凝土強度達到80%以上,立刻進行后續施工。混凝土由于早期強度未達到設計要求,故混凝土自重荷載全部由鋼管承擔,導致拱肋變形過大。而第一次灌注混凝土,嚴格保證混凝土強度達到80%,后續上弦管混凝土和腹腔混凝土是分批次灌注或者是一次性灌注,對拱肋鋼管線形影響很小。

1.4 灌注方案比較

基于以上計算分析可知,雙肢啞鈴形鋼管混凝土拱橋下弦管灌注完成后,不待混凝土強度達到80%以上,立刻進行后續混凝土灌注施工,對拱肋的應力和位移有較大的不利影響。

因此,在施工的過程中,應當注意施工順序,嚴格保證下弦管灌注完成后混凝土的強度達到設計要求。上弦管和腹腔混凝土灌注過程,適當的時候可以緊湊施工。

2 結語

基于大橋斷桿受力性能的研究,可以得到以下結論：1)禁止采用一次灌注的方式,需嚴格保證下弦管混凝土強度達到80%以上才能進行后續工況的混凝土灌注。2)采用三次灌注的方式,可以有效減小施工過程及成橋后拱肋豎向位移和拱肋各截面的正應力。3)如果工期比較緊張,可以考慮在下弦管混凝土達到設計強度80%之后,對上弦管混凝土和腹腔混凝土進行連續灌注。

[1]顧安邦,范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,1999.

[2]尹浩輝,吳濱生.丫髻沙大橋主拱拱肋鋼管混凝土的灌注與線形控制[J].橋梁建設,2000(4)：68-70.

[3]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[4]何賡馀,陳 歡.剛性吊桿的系桿拱橋側傾失穩近似計算方法[J].山西建筑,2009,35(5)：326-327.