勁性骨架在混凝土拱橋中的應用和模擬方式研究

米曦亮，栗 勇

（北京市市政工程設計研究總院，北京市 100082）

0 引言

拱橋常見的施工方法主要有支架施工法、纜索吊裝施工法、轉體施工法和勁性骨架施工法[1]。勁性骨架施工法是以鋼管和型鋼組成空間桁架結構,先分段制作成鋼骨架,骨架拼裝合龍成拱后壓注鋼管內混凝土,混凝土達到強度后就形成鋼管混凝土勁性骨架,再以其為支架分環(huán)分段澆筑拱肋混凝土，最終形成整個拱圈。

勁性骨架施工方法主要優(yōu)點如下：（1）骨架自重較小，有利于實現大節(jié)段的制作安裝，快速拼接成拱后即可作為所有后續(xù)拱肋施工步序的平臺，實現了無支架或少支架施工；（2）拱圈和拱肋全截面施工以分環(huán)分段的方式來分解，先期澆筑的混凝土達到強度后參與受力，與勁性骨架共同承擔后期混凝土重量，減少骨架的用鋼量和造價；（3）充分利用勁性骨架的壓彎受力特性，在弦桿內壓注混凝土，混凝土與骨架鋼管共同作用，骨架的剛度和承載能力都得到了較大提高；（4）勁性骨架不僅作為施工支架，被混凝土包裹后亦可在結構運營階段參與受力，實現了鋼材的充分利用。

因為上述諸多優(yōu)點，鋼管混凝土勁性骨架拱橋成為近些年來大跨徑拱橋常用的結構型式及施工方法之一。420 m跨徑的重慶市萬州長江大橋（1997年建成）、312 m跨徑的邕寧邕江大橋（1998年建成）、140 m跨徑的吊鐘巖大橋（2004年建成，鐵路拱橋）等都是其中的典型代表。

1 工程概況

1.1 主橋總體布置

福建省某新建跨江大橋主橋采用中承式拱橋，斜樁基礎。其計算跨度為180 m，計算矢高45 m，矢跨比為1/4，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為2.0。橋面寬31 m，橫向設兩片拱肋，拱肋采用混凝土箱型箱形斷面，寬2.5 m，在跨中120 m范圍內，拱肋等高為3.0 m；兩側各30 m范圍內，拱肋沿拱軸線兩側均勻加寬至6.0 m，見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

1.2 勁性骨架布置

由于河道主槽水量較大，枯水期短，如采用支架現澆施工，需在河道中設置臨時墩并搭設拱架，臨時墩受水流浸泡和沖擊的時間長，存在較大的風險。同時，臨時墩和拱架高度達到45 m，在其上進行大體量的混凝土澆筑施工，臨時結構自身的穩(wěn)定性也存在問題。因此，拱肋施工采用先架設勁性骨架，再分段分層澆注混凝土的方式，避免了長時間大面積設置臨時支架，施工的安全性更高，對河道阻水也不會有太大影響。

勁性骨架采用鋼管和型鋼組成，總體布置見圖2。

圖2 勁性骨架立面布置圖（單位：cm）

勁性骨架在拱頂、與拱肋實腹段相接的拱腳處斷面見圖3。

上下弦桿為φ450 mm×14 mm厚鋼管，內灌C50微膨脹混凝土；腹桿采L100×63×10角鋼，上、下平聯(lián)采用L75×50×8角鋼，腹桿、上、下平聯(lián)、弦桿之間的連接通過厚12 mm連接板實現，所有連接均為焊接，所有鋼構件均采用Q345qC鋼制作。

圖3 勁性骨架斷面圖（單位：結構尺寸cm，鋼材參數mm）

1.3 拱肋施工步序

勁性骨架的安裝及拱肋混凝土的澆注順序對于骨架的內力和變形起著決定性的作用，詳細施工步序如下：

（1）搭設臨時墩，分段吊裝、拼接勁性骨架，合攏；

（2）拆除臨時墩，自兩端拱腳同時向拱頂壓注上弦桿混凝土；

（3）上弦桿混凝土壓注完7 d后，且強度達到標準強度后壓注下弦桿混凝土；

（4）下弦桿混凝土壓注完7 d后，且強度達到標準強度后開始安裝模板，分段、分層依次澆注底板、腹板、頂板混凝土。

2 勁性骨架模擬方式討論

勁性骨架施工階段模擬計算最大的復雜性在于：勁性骨架先作為施工支架，再壓注弦桿內混凝土，然后逐步被拱肋混凝土包裹,結構的力學模型、加載方式及一些基本參數都在不斷地變化。勁性骨架為常見的桁架結構，可以用常規(guī)的空間梁系模擬，但拱肋混凝土澆注以后，勁性骨架被混凝土包裹,形成“勁性混凝土”或稱“型鋼混凝土”構件。這種構件在其極限荷載80%之前，兩種材料可以共同工作,協(xié)調變形[2]。

目前在常規(guī)的勁性骨架施工分析主要有三種模擬方式：（1）將勁性骨架按剛度等效的方法簡化為薄壁箱形截面，后期拱肋混凝土達到強度后轉化為受力構件，剛度遞增[3]；（2）以空間梁系模擬勁性骨架，用板單元分別模擬底板、腹板和頂板，板單元剛度只計加澆混凝土的剛度，弦桿的剛度不變，兩種單元重疊，共用節(jié)點[4][5][6]；（3）以空間梁系模擬勁性骨架，以實體單元模擬拱肋混凝土，實體單元以共用節(jié)點的方式圍繞弦桿梁單元生成[7]。第一種方式無法得到準確的骨架桿件尤其是平聯(lián)桿內力，不能對施工過程的控制形成有效指導，使用較少；第二種方式通過分步激活各部分混凝土板單元，較為真實地模擬施工過程，能夠得到施工階段和使用階段骨架桿件、拱肋混凝土各部分的內力，能夠有效地指導設計和施工，在實際工作中采用較多；第三種方式最為精細準確，但模型相對復雜，結果提取也有難度，主要在研究中使用。

上述第二種模擬方式，即梁－板組合模型，存在的問題主要是梁單元和板單元僅在節(jié)點處的位移協(xié)調,節(jié)點之間兩種單元是獨立的，位移并不協(xié)調[5]。這種方法的精度就取決于節(jié)點的疏密，即單元劃分的大小，而單元的大小通常又與骨架桿件分節(jié)長度一致，大多在2 m左右。按這樣的單元劃分，模擬精度究竟如何，一般文獻中并沒有研究，下文分別按第二、三種模擬方式建立梁－板組合模型和梁－實體組合模型，以梁－實體組合模型結果對梁－板組合模型的準確性進行驗證。

2.1 模型概況

拱肋混凝土和勁性骨架的實際受力主要表現為壓彎，為真實地模擬其受力特性，取長度22 m、傾角45°的結構節(jié)段進行施工階段計算，結構基本參數稍作簡化。

結構基本參數：上下弦桿均為Φ450×14mm鋼管，管內已壓注C50微膨脹混凝土。直腹桿和斜腹桿為L100×10 mm截面，平聯(lián)桿、斜聯(lián)桿及內聯(lián)桿均為L75×8 mm截面。底板采用C50混凝土，鋼管及型鋼采用Q345qc。

模擬施工階段：階段1，勁性骨架安裝，弦桿內混凝土達到強度，參與受力，弦桿端部固結約束；階段2，底板混凝土澆筑，其自重及模板重量以集中力形式加在骨架節(jié)點上，弦桿端部固結約束；階段3，底板混凝土達到強度，參與受力，腹板混凝土澆筑，其自重及模板重量以集中力形式加在骨架節(jié)點上，弦桿和底板端部固結約束。

采用有限元軟件Midas/Civil分別建立梁－板、梁－實體組合模型，見圖4～圖6。

圖4 梁－板組合模型圖

圖5 梁－實體組合模型圖

圖6 梁－實體組合模型局部詳圖

梁－板組合模型說明：

所有鋼結構桿件均采用梁單元模擬，截面、材料特性均按實際輸入。底板混凝土采用板單元模擬，板寬1.7 m（勁性骨架橫向寬度），板厚按實際加澆混凝土的抗彎剛度換算為0.75 m；底板與下弦桿、腹桿僅在分節(jié)處共用節(jié)點，節(jié)間二者獨立。

梁－實體組合模型說明：

上弦桿、腹桿和聯(lián)桿等鋼結構桿件均采用梁單元模擬，下弦桿及底板混凝土采用實體單元模擬，截面、材料特性均按實際輸入；腹桿伸入底板混凝土中，與相接處實體單元節(jié)點以剛性連接形成剛域。

2.2 計算結果比較

對腹板澆筑階段兩種模型的變形，混凝土及鋼材應力進行比較，見表1～表3及圖7。

表1 腹板澆筑階段結構位移對比表（單位：mm）

表2 腹板澆筑階段底板和弦桿應力對比表（單位：MPa）

表3 腹板澆筑階段骨架桿件軸向應力對比表（單位：MPa）

從上面的結果可以看出，在考慮施工過程的情況下，兩個模型計算得到的位移基本一致，混凝土底板和骨架桿件應力的差值基本在10%以內。考慮到勁性骨架的設計主要由剛度和穩(wěn)定性控制，一般構件的應力水平不高，因此，可以認為梁－板組合模型的精度足夠，模擬方式可信。

3 結語

勁性骨架的施工階段模擬計算因其結構參數的不斷變化而具有一定的復雜性，較多的工程中采用梁－板組合模型進行分析計算，而對存在的節(jié)間梁、板節(jié)點位移不協(xié)調問題并未深入探討。本文分別通過建立梁－板組合模型、梁－實體組合模型對骨架節(jié)段的施工階段進行了模擬計算，以公認精度較高的實體計算結果對梁－板組合模擬方式進行了驗證。

圖7 腹板澆筑階段底板混凝土正應力圖（單位：kPa）

[1]顧安邦.橋梁工程（下冊）[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]GBJ17-88,鋼結構設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1988.

[3]劉孝輝,許曉峰,等.云南化皮沖180m鋼管混凝土勁性骨架拱橋設計[J],公路交通科技,1999(1):7-11.

[4]趙雷,卜一之.鋼管砼勁性骨架I型肋拱橋施工階段結構計算[J].重慶交通學院學報,2000,19(1):11-16.

[5]王星橋,唐黎明.巴東無源洞大橋主拱設計——勁性骨架在施工階段的結構計算[J].橋梁建設,1998(1):48-51.

[6]賀曉川.勁性骨架混凝土拱橋施工階段仿真分析[D].武漢理工大學碩士論文,2007.

[7]王業(yè)飛.勁性骨架混凝土拱橋施工穩(wěn)定性分析[J].橋梁建設,2011(3):22-25.