大跨勁性骨架拱橋外包混凝土澆注方案

張富貴，張永水，董 義，吳世曾

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

近幾年來，鋼管混凝土拱橋建設技術得到了迅速發展，成為我國近年來橋梁建筑發展的新技術。它是利用型鋼、鋼管作勁性骨架，然后在其基礎上搭模板分段分層澆筑混凝土，最后形成勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。這種橋型充分發揮了各自材料的特長，克服了大跨拱橋的施工困難，跨越能力很大［1－2］。

1 工程概況

昭化嘉陵江大橋為上承式勁性骨架施工的鋼筋混凝土箱形拱橋，主橋長364 m。主拱采用等截面懸鏈線無鉸拱。鋼管外包C55混凝土，拱圈采用兩拱肋，兩肋間以橫聯連接，每拱肋為單箱雙室截面，橫向采用等寬8 m，縱向采用外形等高5.8 m，標準段頂、底板厚0.4 m，腹板厚0.3 m。拱圈拱腳至第2根拱上立柱間為漸變段，頂、底板混凝土厚度由0.8 m線性變化至 0.4 m，邊腹板厚度由 0.55 m 線性變化至0.3 m，中腹板厚度保持不變。

勁性骨架為型鋼與鋼管混凝土組成的桁架結構，每肋上、下各3根φ457×14 mm、內灌注C80混凝土的鋼管混凝土弦桿。弦桿通過橫聯角鋼和豎向角鋼連接而構成型鋼－鋼管混凝土桁架，在拱肋橫聯對應位置設交叉撐，加強橫向連接。腹桿及平聯與弦桿均采用焊接連接。

拱圈澆注:待勁性骨架弦管內混凝土全部達到設計強度后，方可澆注拱圈混凝土。拱圈混凝土的澆注采用“先底板，再腹板，最后頂板”的澆注方式，即先按上、下游對稱且兩岸對稱方式分多工作面澆注底板直至合龍，然后再按照同樣的方式澆注腹板、頂板。主橋橋型布置如圖1。

2 外包混凝土澆注方案

澆注方案考慮豎向分3環，縱向分不同的段，按照不同的工作面和工作段進行比較。方案1縱向分8段，底板、腹板分8個工作面10個工作段兩拱肋對稱澆注，頂板分4個工作面10個工作段兩拱肋對稱澆注;方案2縱向分16段，底板、腹板分16個工作面5個工作段兩拱肋對稱澆注，頂板分8個工作面5個工作段兩拱肋對稱澆注。主拱圈外包混凝土澆注示意如圖2，外包混凝土澆注方案見表1。圖2中鋼管編號依次為下弦管1#(中)、3#(內)、4#(外)，上弦管2#(中)、5#(內)、6#(外)。

3 模型建立

根據鋼管混凝土拱肋的材料特性并結合本橋的實際情況，不考慮鋼管與管內混凝土的聯合作用，按照雙單元法來計算［3］。

圖1 主橋立面(單位:m)Fig.1 Main bridge elevation

圖2 主拱圈外包混凝土澆注示意Fig.2 Schematic diagram of the main cast concrete arch outsourcing

表1 外包混凝土澆注方案Table 1 Outsourcing concrete pouring scheme

本橋拱肋外包混凝土施工計算采用Midas Civil 2010建立拱箱的梁－板組合有限元模型，主拱圈按實際構造離散為1 209個結點、7 796個單元，其中鋼管混凝土勁性骨架為4 974個梁單元、拱箱混凝土為2 802個板單元。鋼骨架各桿件之間采用剛結點連接，骨架和板單元之間采用虛擬剛性梁的剛臂方式處理，對拱腳結點采用固結約束，如圖3。

圖3 主拱圈Midas Civil模型Fig.3 Midas Civil model of main arch

4 不同澆注方案的受力狀態分析

考慮到勁性骨架在外包施工過程中，外包混凝土后的鋼管混凝土受其周圍混凝土的約束力而共同受力，會發生應力重分布，認為鋼管混凝土的最不利狀態發生在其未外包混凝土時［4］。因此鋼管混凝土勁性骨架下弦桿最不利狀態發生在澆注底板混凝土時，上弦桿最不利狀態發生在澆注頂板混凝土時。

4.1 最不利狀態下勁性骨架受力狀態分析

4.1.1 方案 1

下弦桿最不利狀態發生在底板 B、C、D段中B10、C10、D10節段混凝土的澆注施工時，上弦桿最不利狀態發生在頂板B、D段中B9、B10、D9、D10節段混凝土的澆注施工時。

4.1.2 方案 2

下弦桿最不利狀態發生在底板 B'、C'、D'、E'、F'、G'、H'段中 B5'、C5'、D5'、E5'、F5'、G5'、H5'節段混凝土的澆注施工時，上弦桿最不利狀態發生在頂板 B'、D'、F'、H'段中 B5'、D5'、F5'、H5'節段混凝土的澆注施工時。

圖4為底板合龍時，上、下弦桿鋼管應力圖。

圖4 底板合龍鋼管應力Fig.4 Diagram stress of steel of base plate closure

底板合龍時，下弦鋼管應力方案1與方案2相比最大值相差不大，但是方案2的鋼管應力曲線的波動性變化比較大;上弦鋼管應力最大值方案2比方案1大17 MPa，而且方案2的鋼管應力整體比方案1大，這是因為方案2分段澆筑的混凝土數量比方案1大。

圖5為腹板合龍時，上、下弦桿鋼管應力圖。

圖5 腹板合龍鋼管應力Fig.5 Diagram stress of steel of webs closure

腹板合龍時，下弦鋼管應力方案1與方案2相比最大值仍相差不大，方案2的鋼管應力曲線的波動性沒有明顯變化，這是由于分段數量的不同造成的;上弦鋼管應力方案2比方案1略大，但只是在拱腳區域有所差別，其他區域差別不大。

圖6為頂板合龍時，上、下弦桿鋼管應力圖。

圖6 頂板合龍鋼管應力Fig.6 Diagram stress of steel of roof closure

頂板合龍時，下弦鋼管應力方案1與方案2相比最大值仍相差不大;方案1與方案2相比上弦鋼管應力有了明顯變化，方案1鋼管應力比方案2要小一些，特別是在拱腳處要小許多，方案1管內混凝土應力曲線更平滑些，數值波動不大，這是由于頂板板混凝土參與受力對上弦桿應力產生了重新分配。

頂板合龍時，管內C80混凝土的應力達到最大值，方案1上弦桿內混凝土壓應力最大值為25.2 MPa，方案2為26.1 MPa，兩者相差不大;方案1下弦桿內混凝土壓應力最大值為27.5 MPa，方案2為29.2 MPa，比方案 1 的要大 1.7 MPa。管內混凝土應力滿足結構的受力要求［5］。

成拱后，從拱腳到3/8截面處，方案1和方案2撓度變化基本一致，但是從3/8截面到拱頂截面處方案2下撓值比方案1要大，在拱頂處兩者相差約5 cm(圖7)。

圖7 成拱后拱圈下撓Fig.7 Deflection diagram of the arch ring after arched

4.2 不同澆注方案對勁性骨架穩定的影響

勁性骨架拱橋施工成敗的關鍵是施工過程中的穩定性問題，因此還必須對其進行穩定性計算［6－8］。表2列舉出了拱圈外包澆注每一段時結構的穩定系數，以反映整個拱圈外包澆注過程結構的穩定性。

表2 外包澆注各施工階段線彈性穩定性Table 2 Outsourcing pouring elastic stability of the construction phase

從表2中可以看出，方案1在底板的澆注過程中結構處于最不利穩定狀態，穩定系數較小，但在合龍時達到較大1值。但方案2在底板、腹板的澆注過程中結構始終處于最不利穩定狀態，穩定系數都比較小，合龍時達到較大值。這是由于方案2澆注的混凝土數量要大許多;腹板、頂板澆注施工過程中結構的穩定系數表現為先逐步增大、再減小、最后在逐步增大的變化趨勢，且都在合龍時達到階段最大值。底板、腹板和頂板合龍后方案1與方案2的穩定系數相差不大。因此從穩定性的角度來說方案1要比方案2要好，更利于施工時結構的穩定。

5 結語

通過對勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土的不同澆注方案進行比較分析，還從穩定方面對外包澆注過程中結構的安全性給出評價，得出如下結論:

1)拱圈外包混凝土澆注中方案1與方案2相比，受力方面兩者對骨架的應力水平有影響，方案1的應力曲線比方案2相對平滑些，在底板合龍時方案1的上弦桿壓應力最大值明顯比方案2要小，而且采取方案1可以明顯降低成拱后拱圈的下撓值。

2)穩定性方面:無論是采用方案1和方案2，拱圈外包澆注的過程中，結構的穩定系數均大于4，采取方案1的澆注方式，僅在澆注底板的過程中結構的穩定性較低，而采取方案2，不僅是在澆注底板的過程中結構的穩定性較低，而且在澆注腹板的過程中結構穩定性仍然較低。

［1］邱麟，孫吉飚.鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工階段穩定性分析［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2008，27(3):366 －369.Qiu Lin，Sun Jibiao.Analysis on stability of concrete filled steel tube arch bridge in construction［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2008，27(3):366－369.

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［3］張犇.大跨勁性骨架混凝土箱拱橋施工優化設計［D］.重慶:重慶交通大學，2011.

［4］劉劍.大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋主拱圈施工方案研究［D］.西安:長安大學，2007.

［5］JTG D 6—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［7］謝尚英，錢冬生.勁性骨架施工階段非線性穩定分析［J］.土木工程學報，2000，33(1):23 －26.Xie Shangying，Qian Dongsheng.Non-linear stability analysis of concrete arch bridge with stiff skeleton of concrete filled steel tubes during construction ［J］.China Civil Engineering Journal，2000，33(1):23－ 26.

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