鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土灌注順序優(yōu)化

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土灌注順序優(yōu)化

姜楠

(重慶交通大學(xué)重慶400074)

為了確保特大鋼管混凝土拱橋施工安全及受力合理性，有必要對管內(nèi)混凝土灌注順序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。本文以西南地區(qū)某特大鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過Midas/Civil雙單元法模擬分析8種具有代表性的管內(nèi)混凝土灌注順序，研究灌注順序?qū)袄呓Y(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性的影響。

鋼管混凝土拱橋；灌注順序；優(yōu)化

一、引言

鋼管混凝土拱橋以其跨越能力強(qiáng)、承載力大、經(jīng)濟(jì)合理、施工快捷、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)得到普遍應(yīng)用。鋼管混凝土拱橋施工主要包括拱肋節(jié)段安裝、管內(nèi)混凝土灌注、吊桿泣柱)以及橋面系的施工等。由于管內(nèi)混凝土灌注不但涉及到主拱變形，而且還影響到鋼管和管內(nèi)混凝土的應(yīng)力值，因此，對于大跨徑鋼管混凝土拱橋，僅靠歷史經(jīng)驗(yàn)來確定管內(nèi)混凝土的灌注順序，往往存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性[1]。本文以西南地區(qū)某特大鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過Midas/Civil雙單元法模擬分析8種具有代表性的管內(nèi)混凝土灌注順序，研究不同灌注順序?qū)袄呓Y(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性的影響，同時(shí)得出最優(yōu)管內(nèi)混凝土灌注順序。

二、工程概況

上承式鋼管混凝土拱橋，橋長300m(計(jì)算跨徑280m)，采用等寬度變高度空間桁架結(jié)構(gòu)主拱圈，矢跨比為1/5.5，拱肋寬10m。管內(nèi)選用C55自密實(shí)微膨脹混凝土填充灌注。

三、計(jì)算模型

(一)基本假設(shè)

1.假設(shè)混凝土凝固后與鋼管壁完全結(jié)合、無脫空、滑移現(xiàn)象;

2.灌注討程中不考慮溫度升降的影響；

3.在管內(nèi)混凝土灌注初期，忽略混凝土剛度，在拱肋鋼管上施加均布荷載(第一個(gè)施工階段)；待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，鈍化均布荷載，激活核心混凝土單元(第二個(gè)施工階段)[2]。

(二)灌注方案設(shè)定

由于該橋跨度大、拱頂高，單根鋼管混凝土方量大，很難一次性灌注完成。為減少泵送壓力和降低混凝土在初凝時(shí)間內(nèi)灌注的風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)鋼管分兩倉對稱依次灌注，一次灌注一根鋼管?；炷凉嘧⒉粌H是一個(gè)逐漸加載的過程，也是一個(gè)剛度逐漸增大的過程，是一個(gè)典型的幾何非線性問題[3-4]。為便于分析和說明，將鋼管進(jìn)行編號如圖1所示。

管內(nèi)混凝土灌注計(jì)算模型圖，如圖2所示。本文共擬定八種具有代表性的管內(nèi)混凝土灌注順序，見表1。

表1 管內(nèi)混凝土灌注順序表

圖1 拱肋鋼管編號圖

圖2 管內(nèi)混凝土灌注計(jì)算模型圖

四、計(jì)算結(jié)果

(一)灌注順序?qū)袄邞?yīng)力影響分析

經(jīng)過計(jì)算分析，可提取不同灌注順序時(shí)鋼管應(yīng)力和核心混凝土應(yīng)力。通過數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：

1.核心混凝土應(yīng)力值遠(yuǎn)小于鋼管應(yīng)力值；

2.最后一個(gè)施工階段鋼管應(yīng)力最大。

圖3 應(yīng)力影響分析圖

僅對最后一個(gè)施工階段的鋼管(拱腳、1/4、拱頂截面)應(yīng)力進(jìn)行對比，如圖3所示。

分析上圖可得出以下結(jié)論：

1.下弦桿最大應(yīng)力出現(xiàn)于拱腳截面，上弦桿最大應(yīng)力出現(xiàn)于拱頂截面，二者最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度；

2.整體而言，拱肋結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)于拱腳截面處；

3.上(下)弦管先后灌注優(yōu)于上(下)弦管交替灌注；應(yīng)力較小的灌注順序(灌注順序8)為受力較合理的灌注順序，即：先灌注下弦管后灌注上弦管，由內(nèi)到外的灌注順序?yàn)槭芰^合理的灌注順序。

(二)灌注順序?qū)袄咦冃斡绊懛治?/p>

經(jīng)過計(jì)算分析，可提取不同灌注順序下不同施工階段不同截面的累計(jì)變形值。通過數(shù)據(jù)分析可知：

1.最后一個(gè)施工階段(所有管內(nèi)混凝土均灌注完成)累計(jì)變形值最大；

2.各鋼管在相同截面累計(jì)變形值基本相同。

故本文僅選取3號鋼管最后一個(gè)施工階段累計(jì)變形值進(jìn)行對比分析，如圖4所示。

圖4 變形影響分析圖

由上圖分析可知：

1.拱腳截面變形較??；拱頂截面變形較大，故拱頂截面可作為選擇灌注順序的一個(gè)重要參考因素。

2.變形較小的灌注順序(灌注順序8)為變形較合理的灌注順序。

(三)灌注順序?qū)κ┕し€(wěn)定性影響分析

本文背景工程為整體性較好的上承式拱橋，為簡化計(jì)算量，本章只選用線彈性屈曲分析不同混凝土灌注順序下各施工階段的穩(wěn)定性[3-4]。各灌注順序下，穩(wěn)定系數(shù)相差較小，且均大于8。順序8管內(nèi)混凝土灌注時(shí)拱肋1階整體失穩(wěn)圖，如圖5所示。

圖5 灌注順序8拱肋1階整體失穩(wěn)圖

分析上圖可知：

1.各種灌注順序下穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢相同，在管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度階段穩(wěn)定性較好，說明混凝土和鋼管已形成結(jié)合截面形式一起承擔(dān)荷載；

2.各種灌注順序下的穩(wěn)定系數(shù)，在施工階段的穩(wěn)定系數(shù)都大于8，說明管內(nèi)混凝土灌注施工的安全性較高；

3.灌注順序?yàn)橄裙嘧⑾孪夜芎蠊嘧⑸舷夜?順序6和8)時(shí)，各施工階段的穩(wěn)定性相對較好。

五、結(jié)論

本文以西南地區(qū)某特大鋼管拱橋?yàn)槔ㄟ^對比分析可知：1.先灌注全部下弦管后灌注全部上弦管，再由內(nèi)至外灌注方式為較合理的灌注順序；2.評價(jià)管內(nèi)混凝土灌注順序優(yōu)劣可重點(diǎn)參考：拱腳截面應(yīng)力和拱頂截面變形兩項(xiàng)指標(biāo)。

[1]周水興.鋼管初應(yīng)力對鋼管混凝土拱橋承載力的影響研究[D]：[博士學(xué)位論文].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[2]張明中.大跨度鋼管混凝土拱橋施工過程仿真計(jì)算分析[D]：[碩士學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[3]顧箭峰.鋼管混凝土拱橋灌注混凝土仿真分析研究[D]：[碩士學(xué)位論文].西安：長安大學(xué)，2012.

[4]王劍.鋼管混凝土拱橋灌注施工仿真分析[D]：[碩士學(xué)位論文].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009.

姜楠(1988-),男,漢族,云南,碩士,重慶交通大學(xué),橋梁檢測、加固與維護(hù)。