鋼管拱肋混凝土灌注過程模擬分析

張全洋

(石家莊鐵道大學 河北 石家莊 050010)

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鋼管拱肋混凝土灌注過程模擬分析

張全洋

(石家莊鐵道大學 河北 石家莊 050010)

鋼管拱肋焊接合龍后，就到了灌注階段，此階段是鋼管混凝土拱橋施工過程的重要環節。本橋拱肋采用雙肢啞鈴型截面，鑒于截面形式的需要以及灌注階段混凝土方量較大，了解此過程結構的受力、變形和穩定是十分必要，本文利用施工階段聯合截面中的用戶截面對鋼管拱肋混凝土灌注過程模擬分析進行了研究。

用戶截面;模擬分析

一、橋梁結構概況

南堡跨世紀路特大橋，系梁全長82.5 m，計算跨徑80 m，頂板寬17.2 m，底板寬14.8 m，梁高2.5 m。拱肋計算跨度為80 m，矢跨比1/5，立面投影矢高15.844 m，拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=2.5 m，鋼管直徑為1.0 m。吊桿垂直拱弦線平行布置，間距5 m，共13對，橫向內傾8度。拱橋立面圖、拱肋截面圖分別見圖1～2。

圖1 拱橋立面圖(單位：cm)

圖2 拱肋截面圖

(單位：mm)

二、拱肋單元模擬

本文采用Midas/Civil中的施工階段聯合截面來模擬拱肋的灌注施工過程，聯合截面按照其聯合形式分為標準截面、一般截面和用戶截面三種。標準截面只適合程序默認自帶的截面，而啞鈴型截面不是程序所自帶的，其只能采用后兩者截面形式。一般截面適用于子截面數量為2～3個，而用戶截面的子截面數量沒有限制。考慮到啞鈴型截面形式及實際施工的特點，將其分為4個子截面(外鋼管、上管混凝土、下管混凝土和腹板混凝土)，只能采用用戶截面形式(見圖3)。

(a)一般截面 (b)用戶截面

一般截面的子截面材料、疊合階段和材齡確定后，子截面的理論厚度h、剛度可自動算出，而用戶接截面的子截面材料、疊合階段和材齡確定后，需要計算子截面特性值Cyi、Czi、理論厚度h和剛度。子截面特性值和理論厚度h的計算都相對簡單，而剛度的計算的較為復雜。這時可以利用一般截面，將我們需要計算的截面作為一般截面中的一個子截面，利用一般截面可以自動計算的功能得出子截面的剛度值，然后添加到用戶截面中。采用這種方式計算不但高效，而且準確無誤。

三、灌注過程模擬分析

在拱肋鋼管混凝土灌注過程中，將液態混凝土以梁單元荷載的形式施加到模型上，完全忽略其剛度，待混凝土凝固，擁有剛度后參與受力時，將先前的梁單元荷載鈍化，此時將混凝土和拱肋鋼管以聯合截面的形式進行組合。定義其施工階段見表1。

表1 三次灌注式施工階段的定義

鋼管混凝土拱橋灌注施工過程中，拱肋的應力和變形是評價灌注質量的重要指標。由于結構對稱，取小里程半跨結構，從應力、變形兩個方面進行模擬分析，見表2～3。

表2 拱肋位移表 mm

注：表中位移，向上為正，向下為負。

表3 拱肋應力表 MPa

注：表中應力，拉應力為正，壓應力為負。

四、結論

(1)灌注下弦管時，混凝土的荷載全部空鋼管來承擔；灌注上弦管時，混凝土荷載由空鋼管和下弦管混凝土共同承擔，截面剛度增大；因而在上下弦管混凝土荷載相同的情況下，下弦管混凝土引起的拱肋撓度較大，L/2截面最為明顯。

(2)隨著混凝土的參與受力，受力截面逐漸增大，在相同荷載作用下，拱肋應力增量逐漸減小，拱腳處最為明顯。

(3)在灌注過程中，L/2截面撓度最大，拱腳截面應力最大，為施工監控的重點指明了方向。

(4)用戶截面的應用，能夠較好的模擬啞鈴型拱肋截面的灌注過程，并利用一般截面能夠快速準確的計算用戶截面所需的子截面剛度。

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