大跨徑鋼管混凝土拱橋主拱肋施工階段穩定性分析

程 虎

（山西遠方路橋（集團）有限責任公司，山西 大同 037006）

0 引言

鋼管混凝土拱橋[1]造型美觀，具有良好的跨越能力，在公路及城市橋梁中應用廣泛，作為一種典型的自架設橋梁體系，大跨徑鋼管混凝土拱橋一般采用纜索吊裝的方法施工，由于該類型橋梁的特點，在施工過程中橋梁的剛度和質量均處于不斷變化之中，同時橋梁施工過程中受外荷載的情況較為復雜，外荷載的擾動對結構的穩定性[2]較為不利。一般對施工中結構的穩定分析以彈性理論為基礎，進行整體或局部穩定分析，并以臨界穩定系數作為評價結構安全與否的依據。大跨徑鋼管混凝土拱橋穩定分析過程中需考慮材料非線性、幾何非線性的影響。

本文以一座大跨徑的鋼管混凝土拱橋作為依托工程，并考慮非線性的影響因素對橋梁施工過程中的整體穩定性進行了分析，根據特征值分析及結構的屈曲模態[3]確定了較為不利的施工階段，為施工過程的安全性提供保障。

1 工程概況

依托工程主橋采用中承式有推力鋼管混凝土拱橋結構，橋跨布置：2×16 m預制空心板+258 m鋼管混凝土拱+2×16 m預制空心板，主橋計算跨徑242 m，計算矢高比1/4，拱軸線為m=1.5的懸鏈線。拱肋為鋼管混凝土桁架結構，上、下弦桿斷面為平放的啞鈴型，拱肋總高為5.36 m，總寬為2.76 m。圓管外徑為960 mm，除拱腳埋設段及第2、3吊裝段壁厚為18 mm外，其余拱肋壁厚為16 mm。水平兩鋼管間凈距2.0 m，圓管之間設平聯板連成一體，平聯板為厚度14 mm。主橋拱肋與橋道系相交部位橋梁全寬：2.75 m（拱肋）+0.075 m+0.5 m（護欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護欄）+0.075 m+2.75 m（拱肋）。引橋部分，單幅橋面橫向布置為：0.5 m（護欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護欄）=17 m。主橋拱圈采用雙片式拱肋，拱上通過拱上立柱和吊桿連接橋面系，行車道板采用縱向“T”梁，橫梁采用預制大型預應力混凝土梁，縱橫交錯形成全橋連續的正交梁格體系。

拱肋與行車道梁相交處設拱上橫梁。拱上橫梁采用鋼管桁架形式，主、側桁架的弦桿、腹桿鋼管均采用Q345qD材質,主桁架弦桿尺寸為φ700×16。因上弦桿為壓彎構件并承受支座處局部集中荷載，為增強承載能力并解決局部承壓問題，上弦桿內填充C50微膨脹混凝土。下弦桿為拉彎構件，不填充混凝土。與主桁架上弦桿相接的拱肋腹桿尺寸為φ500×16，內填C50微膨脹混凝土。圖1為該橋橋型布置圖。

圖1 橋型布置圖

2 有限元分析

2.1 計算方法

根據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》（JTG T D65-06—2015）規定，在施工階段，應根據拱橋的特點和施工方法對鋼管混凝土主拱肋的穩定性進行分析[4]，主拱肋彈性整體穩定臨界系數為4.0。本文借助有限元結構分析平臺Midas Civil（V8.2.1）對依托工程進行屈曲特征值和屈曲模態分析，分析中考慮材料非線性和幾何非線性[5]影響，非線性分析的上限為穩定分析臨界荷載系數。

2.2 有限元模型建立

2.2.1 施工階段介紹

鋼管混凝土拱橋采用纜索吊裝施工時，根據現場起吊條件及起吊纜索機械的實際情況，主拱肋需劃分為多個吊裝節段，主要施工步驟描述如下：施工主墩基礎→施工吊塔和扣塔→安裝臨時鉸→吊裝拱段（同時安裝相應拱段內風撐）→主拱圈合龍→調整拱圈線形→各拱段焊接固定→拆除扣索→封鉸→灌注拱圈下弦鋼管混凝土→灌注拱圈上弦鋼管和實心段混凝土→安裝吊桿、拱上立柱、橫梁→安裝橋面板、施工橋面板濕接縫→施工橋面系→鋼構件防腐。

表1 主要施工步驟

2.2.2 抗風纜布置

拱肋吊裝施工過程中拱肋易受橫風擾動而發生拱肋橫向失穩，因此在施工過程中每吊裝一個節段要安裝相應風纜繩，風纜繩采用直徑21.5 mm的鋼絲繩，每一個拱肋吊裝段拱背上上下游各拉一根風纜繩，全橋共布置8個抗風纜繩錨碇，風纜及錨碇的總體布置如圖2所示。

圖2 抗風纜繩布置圖

2.2.3 建立模型

依據圖紙資料，采用有限元結構分析軟件Midas Civil（V8.2.1）進行空間分析計算，全橋共1 886個節點，2 102個單元，拱肋上下弦桿、一字橫撐及K撐均采用梁單元進行模擬，風纜繩采用桁架單元，管內灌注混凝土、臨時施工荷載以均布荷載計入計算模型。有限元模型如圖3。

圖3 有限元模型

3 空鋼管節段吊裝階段穩定性分析

拱肋吊裝施工過程中的抗風穩定性關系到結構安全，因此對拱肋吊裝階段受橫風影響較大的階段進行抗風穩定性驗算，計算時考慮風纜對結構的穩定作用，拱肋上作用的橫風荷載按設計基本風速計算，計算結果見表2。

表2 拱肋吊裝階段抗風穩定性

根據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》（JTG T D65-06—2015），施工過程中拱肋的整體穩定性，臨界荷載系數不小于4。由表2可知，施工過程中最大懸臂階段的抗風穩定性最不利，即最小臨界荷載系數為32，因此施工過程中抗風穩定性滿足要求。

4 鋼管混凝土灌注階段穩定性分析

4.1 鋼管混凝土灌注順序

圖4為拱肋橫斷面布置示意圖，由圖可知，全橋鋼管拱肋主要由8根弦桿構成，分別為A1～A4及B1～B4，上弦桿（下弦桿）之間通過平聯板連接，上下弦桿間通過腹連接，左右側主拱肋由橫撐連接，弦桿與平聯板之間空腔均灌注混凝土，弦桿混凝土采用泵送，平聯板混凝土采用人工灌注。鋼管混凝土的灌注原則是對稱勻速不間斷，根據設計施工順序，混凝土的灌注順序為：B2、B3→B1、B4→A2、A3→A1、A4→下平聯內混凝土→上平聯內混凝土。

圖4 弦管編號

4.2 穩定性分析

灌注混凝土階段主拱肋恒載大幅增加，該過程應計算結構的自身穩定性。根據鋼管混凝土灌注的施工順序，確定灌注第一對空鋼管管內混凝土為拱肋灌注過程的最不利施工階段，因此灌注混凝土過程鋼管的穩定性分析只需對該階段進行，分析結果如圖5和圖6。

圖5 失穩模態-俯視圖

圖6 失穩模態-側視圖

由圖5、圖6可知，灌注第一對管內混凝土時拱肋失穩模態為面外失穩，拱肋最小臨界荷載系數為13，大于 4，滿足要求。

5 結語

本文以一座大跨徑的鋼管混凝土拱橋作為依托工程，并考慮非線性的影響因素對橋梁施工過程中合龍前拱肋吊裝施工過程中抗風穩定性、合龍后灌注鋼管混凝土階段的整體穩定性進行了分析。特征值分析及結構的屈曲模態結果表明，施工過程中最大懸臂階段的抗風穩定性最不利，即最小臨界荷載系數為32，大于結構失穩時臨界系數4，因此施工過程中抗風穩定性滿足要求，灌注第一對管內混凝土時最為不利，且失穩模態面外失穩，拱肋最小臨界荷載系數為13，大于4，因此灌注混凝土階段拱肋的穩定性滿足要求，本文分析方法可供類似工程借鑒。