鋼管混凝土拱橋拱腳開裂原因分析

劉 濤 濤

(中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710000)

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鋼管混凝土拱橋拱腳開裂原因分析

劉 濤 濤

(中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710000)

結合某鐵路鋼管混凝土拱橋的設計與施工過程，分析了施工中拱腳混凝土開裂的原因，并采用有限元分析方法，探討了結構的受力特征，提出了拱腳破裂事故的處理方案，確保了拱橋運營的安全性。

拱橋，拱腳，混凝土裂縫，有限元模型

0 引言

鋼管混凝土拱橋近年來作為一種新型的橋梁結構在公路及鐵路橋梁設計當中均得到了廣泛的應用,其具有受力協調性好，下部建筑結構高度較小，造型美觀，結構整體剛度較大的優點,加上較強的地質狀況適應能力,以及建造過程中工程材料使用較少、后期養護較為便利等特點,逐漸演變成大跨度拱橋發展的一種理想的結構形式。近年來，我國建成及投入運營的鋼管混凝土拱橋結構據不完全統計應已達到1 000余座以上，對鋼管拱橋設計以及施工中的關鍵問題積累了豐富的經驗。并正式發行了CECS 28∶2012鋼管混凝土結構設計與施工規范及GB 50936—2014鋼管混凝土結構技術規范。但尚缺乏對系桿拱橋局部受力方面系統的理論研究。近幾年來施工中經常會出現系桿拱橋在腹腔混凝土灌注后出現混凝土破損，拱腳混凝土開裂等現象，造成較大的質量事故。本文從有限元的角度，對某橋梁施工過程當中拱腳開裂的現象進行分析探討[1-3]。

1 工程概況

某鐵路橋梁主跨為64 m鋼管混凝土系桿拱，鐵路等級為Ⅲ級，設計時速為120 km/h。

結構為鋼管混凝土系桿拱，計算跨徑64 m，梁長65.4 m。拱軸線為二次拋物線線型，拱軸線方程為：Y=0.8X-0.012 5X2。主梁為箱形結構，拱肋采用啞鈴形鋼管內灌混凝土結構。拱肋矢高12.8 m，矢跨比為1/5，計算跨徑為64 m。拱肋中心距為6.5 m。拱肋間設置三道橫撐，其中邊橫撐為K撐，中間橫撐為一字撐。全橋拱肋總共設有11對豎向吊桿，除拱腳支座處至第一根吊桿間距離為8.0 m，剩余吊桿中心間的距離均為4.8 m。主梁采用單箱雙室箱形截面，支點處梁高3.0 m，跨中梁高2.5 m，梁全長65.4 m。箱梁底面寬度為7.0 m，支點端部處加寬至7.6 m,箱梁頂面寬度為9.5 m(見圖1，圖2)。

2 施工現場情況概述

現場施工過程見表1。

2015年7月7日上午8：00，現場發現系桿拱拱腳處混凝土出現多處裂縫。拱腳定位圖如圖3所示，各拱腳裂縫分布、裂縫寬度、裂縫深度及裂縫長度等信息描述見圖4～圖7及表2～表5。

表1 現場施工過程

時間/年．月．日施工工序2014．9．1～2014．9．14梁體及拱腳鋼筋綁扎2014．9．28系桿拱梁體混凝土施工2014．10．28～2014．11．1拱腳立模2014．11．3拱腳混凝土施工2015．4．17鋼管拱進場2015．4．25～2015．5．19鋼管拱安裝2015．6．27～2015．6．30鋼管拱(除橫撐、K字撐外)混凝土灌注

表2 1號拱腳裂縫測量值

裂縫編號最大縫寬/mm縫深/mm縫長/m10．0838～871．220．1530．69

表3 2號拱腳裂縫測量值

裂縫編號最大縫寬/mm縫深/mm縫長/m10．08380．920．121～240．61

表4 3號拱腳裂縫測量值

裂縫編號最大縫寬/mm縫深/mm縫長/m10．08430．8520．118～260．3730．116～340．840．131～370．56

表5 4號拱腳裂縫測量值

裂縫編號最大縫寬/mm縫深/mm縫長/m11．4217～891．920．3617～451．430．781～1110．840．4648～801．151．1647～671．66617～891．371560．3281．1440～431．0290．5424～460．28

通過上述結果顯示：1號拱腳最大深度87 mm，最大寬度0.1 mm；2號拱腳最大深度38 mm，最大寬度0.1 mm；3號拱腳最大深度43 mm，最大寬度0.1 mm；4號拱腳最大深度111 mm，最大寬度6 mm。

3 拱腳模型建立

根據設計圖紙，按照拱腳實際結構尺寸，運用MIDASFEA軟件建立拱腳有限元模型，拱腳尺寸如圖8所示。

本文在建立拱腳局部有限元模型時采用了以下基本假定：

1)不考慮拱腳混凝土與拱肋之間受力情況下的粘結滑移作用；2)不考慮混凝土材料的收縮徐變等長久效應；3)采用小變形假設理論。

3.1 構件單元的選擇

模型的建立首先采用MIDAS/CIVIL梁單元建立全橋模型進行整體分析，得到主梁及拱肋各單元的內力，然后采用MIDAS/FEA建立拱腳局部實體模型(見圖9)。把整體分析模型計算得出的拱腳邊界內力等效施加在局部模型的邊界上，施加相應的約束條件，計算得出拱腳在當前階段應力分布規律。

從圣維南原理的角度，在拱腳局部模型建立時，拱肋伸出拱腳的長度為5.0 m，系梁長度為10.0 m。用MIDAS/FEA建立局部模型進行三維分析，預應力鋼筋及普通鋼筋用線單元模擬(見圖10)，啞鈴形拱肋的鋼管用板單元模擬(見圖11)，剩余部分均采用實體單元模擬，總共有35 170個單元、14 700個節點。拱腳有限元實體模型見圖9。

3.2 荷載工況的選取

根據MIDAS/CIVIL梁單元全橋模型進行整體分析的結果，選取當前受力工況下的內力對拱腳局部實體模型加載，根據當前施工階段拱肋及主梁內力情況將其通過靜力荷載的形式施加在MIDAS/FEA拱腳實體模型截面。通過計算結果分析拱腳處局部受力情況及應力規律。

4 應力結果分析

本文主要從結構的主拉應力、主壓應力方面進行分析。根據設計規范要求，主梁所用C55混凝土的設計抗拉及設計抗壓應力分別滿足1.98 MPa及-25.3 MPa[4]。

4.1 主拉應力分析

拱腳部分主拉應力分布圖見圖12～圖14。

通過圖12～圖14可以得出，拱腳及主梁主拉應力值分布較為均勻，應力分布在-2.0 MPa～1.5 MPa范圍之間，拱腳單元應力可滿足規范要求。

4.2 主壓應力分析

拱腳部位的混凝土主壓應力分布如圖15～圖17所示。預應力鋼束、鋼棒及鋼筋應力如圖18所示。

由圖15～圖17中可得，拱腳部位的主壓應力主要分布在-10 MPa～-0.2 MPa范圍內，箱梁底板局部應力超出設計壓應力，考慮到主要是因模型在此處受到集中約束后的力學簡化引起，同理，最大主壓應力出現在預應力鋼筋較為密集的系梁端部，如圖17所示。由圖18中可以看出，預應力鋼束及鋼棒應力均較小，普通鋼筋主要為壓應力?？偟膩砜?，模型受力較為理想，以壓應力為主，應力值均滿足規范要求。

5 事故處理

經組織專家會進行討論，達成以下處理意見：將開裂混凝土鑿除，檢查拱肋鋼管與拱腳鋼筋的連接，確保進行牢固焊接，重新立模澆筑外包混凝土。

6 結語

1)通過有限元建模計算可以得出，拱腳在當前施工工況下，拱腳單元應力均滿足規范要求。

2)施工過程當中相關不當措施可引發拱腳受力不當，如：拱肋焊接過程當中的不當糾偏措施、拱肋混凝土灌注時高壓泵的壓力值選用不當、拱肋線形不對稱導致混凝土灌注后拱腳翹曲、拱腳鋼筋及拱肋鋼管之間連接不到位等。

3)拱腳豎向預應力張拉若控制不夠，導致預應力損失較大，無法滿足拱腳設計受力要求。

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].第2版.北京：人民交通出版社，2007:20-35.

[2] 陳賀功.鋼管混凝土拱橋拱腳混凝土破裂原因分析[J].山西建筑，2016，42(29):172-173.

[3] 秦 榮.鋼管混凝土拱橋鋼管開裂事故分析[J].土木工程學報，2001,34(3):74-77.

[4] GB 50923—2013，鋼管混凝土拱橋技術規范[S].

On analysis of reasons for cracks on foot of concrete-filled steel tube arch

Liu Taotao

(ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710000,China)

By combining with the design and construction process of some railway steel tube concrete arch, the paper analyzes the reasons for the cracks on the foot in the construction, using the finite element analysis method, explores the stressed features of the structure, and points out the treatment scheme for the cracks, so as to ensure the safety of the arch bridge operation.

arch bridge, arch foot, concrete crack, finite element model

1009-6825(2017)06-0185-03

2016-12-08

劉濤濤(1986- )，男，工程師

U445.71

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