鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土澆筑過程中的穩定性分析

李桂玲

(北京中鐵誠業工程建設監理有限公司，北京 100055)

1 工程概況

東莞市水道特大橋位于東莞市萬江區蓮子村，是五環路(西環)重要工程之一，全長744.84 m，包括主橋、引橋兩部分。主橋為50 m+280 m+50 m三跨中承式鋼管混凝土系桿拱橋，每幅橋設2片拱肋，主跨拱肋采用鋼管混凝土拱形空間桁架結構，拱肋中距為19.5 m(如圖1所示)。主拱圈截面成雙啞鈴形式以腹管相連，拱肋全高為5.5 m，全寬2.5 m，上、下弦管各為兩根1 000 mm×16 mm的Q345C鋼管，在拱腳第一段則為1 000 mm×18 mm的Q345C鋼管，在上、下弦管兩根并列鋼管間用12 mm厚的Q345C綴板連接，腹管為500 mm×12 mm的Q345C空鋼管，上、下弦管內及上根據設計圖紙及下綴板間均澆筑50號微膨脹混凝土，腹桿為空心鋼管。

圖1 東莞水道特大橋空間效果

東莞水道特大橋空鋼管拱肋混凝土的澆筑分為圖2所示的7種工況，每部分澆筑采取自兩端拱腳向拱頂一次頂升完畢的方式。各工況中，網格部分為本階段澆筑的混凝土，未凝固;斜線部分為前幾個階段澆筑的混凝土，已凝固。

圖2 拱肋混凝土澆筑工況

2 有限元模型及計算結果

東莞水道特大橋拱肋合龍后，按照圖2所示的7個工況澆筑拱肋混凝土，以此建立有限元模型，空鋼管合龍松扣后，分階段模擬混凝土的澆筑。弦管、腹管和橫撐仍采用beam4梁單元，纜風索采用link10桿單元。

采用ANSYS有限元軟件對上述模型的7個工況進行了線彈性和幾何非線性計算，其結果如表1所示。圖3給出了該橋拱肋混凝土澆筑第6工況的前四階失穩模態(此工況的穩定系數最小)。

表1 7個工況下模型A的一階穩定系數

圖3 混凝土澆筑第六工況前四階失穩模態

3 線彈性穩定分析

通過對模型的特征值分析，該橋的第一個工況的一階失穩形態為面內失穩，面外失穩出現在第二階失穩形態，這說明在第一個工況時該橋的面內剛度相對較小。而由于拱肋間的橫撐布置較密，兩拱肋間的橫向聯系較好，拱肋的橫向剛度較大;從工況2開始，一階失穩模態由面內轉向面外，成為側傾失穩。這說明在混凝土澆筑過程中，隨著混凝土的凝固形成剛度的同時提高了拱肋的面內剛度。

4 幾何非線性穩定分析

從表1看出，幾何非線性與線彈性穩定計算結果相差在5.3%～7.9%之間。幾何非線性對結果影響較小的原因是拱肋的剛度很大，在施加荷載作用下拱軸線的改變很小，在前一階段的混凝土凝固后，混凝土形成了剛度，提高了拱肋的穩定性，進一步降低了幾何非線性的影響。

圖4為拱肋混凝土澆筑工況6的荷載—位移歷程曲線，豎軸表示所施加的荷載系數，橫軸表示在該荷載作用下所取定拱肋上某節點的位移。從圖4的曲線上可以看到，曲線起始段較陡，當加載系數達到臨界值時，在荷載不變的情況下，位移增加迅速，曲線基本與X軸平行，P－u類似一類失穩曲線。

圖4 幾何非線性分析的荷載—位移歷程曲線

5 結束語

根據本文的研究及相關文獻，對于此類橋梁線彈性穩定系數與幾何非線性穩定系數計算結果相差不大，一般在10%之內。

其原因主要是目前該類橋在設計時考慮了較大的結構剛度，在豎向荷載作用下拱軸線的改變很小，并且在前一階段的混凝土凝固后，混凝土形成了剛度，提高了拱肋的穩定性，進一步降低了幾何非線性對大橋施工穩定的影響。

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