鋼管混凝土拱橋管內混凝土灌注順序優化

(重慶交通大學 重慶 400074)

鋼管混凝土拱橋管內混凝土灌注順序優化

姜楠

(重慶交通大學重慶400074)

為了確保特大鋼管混凝土拱橋施工安全及受力合理性，有必要對管內混凝土灌注順序進行優化計算。本文以西南地區某特大鋼管混凝土拱橋為工程背景，通過Midas/Civil雙單元法模擬分析8種具有代表性的管內混凝土灌注順序，研究灌注順序對拱肋結構應力、變形和穩定性的影響。

鋼管混凝土拱橋；灌注順序；優化

一、引言

鋼管混凝土拱橋以其跨越能力強、承載力大、經濟合理、施工快捷、外形美觀等優點，在國內得到普遍應用。鋼管混凝土拱橋施工主要包括拱肋節段安裝、管內混凝土灌注、吊桿泣柱)以及橋面系的施工等。由于管內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混凝土的應力值，因此，對于大跨徑鋼管混凝土拱橋，僅靠歷史經驗來確定管內混凝土的灌注順序，往往存在一定的風險性[1]。本文以西南地區某特大鋼管混凝土拱橋為工程背景，通過Midas/Civil雙單元法模擬分析8種具有代表性的管內混凝土灌注順序，研究不同灌注順序對拱肋結構應力、變形和穩定性的影響，同時得出最優管內混凝土灌注順序。

二、工程概況

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

三、計算模型

(一)基本假設

1.假設混凝土凝固后與鋼管壁完全結合、無脫空、滑移現象;

2.灌注討程中不考慮溫度升降的影響；

3.在管內混凝土灌注初期，忽略混凝土剛度，在拱肋鋼管上施加均布荷載(第一個施工階段)；待混凝土達到設計強度后，鈍化均布荷載，激活核心混凝土單元(第二個施工階段)[2]。

(二)灌注方案設定

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間內灌注的風險，每個鋼管分兩倉對稱依次灌注，一次灌注一根鋼管。混凝土灌注不僅是一個逐漸加載的過程，也是一個剛度逐漸增大的過程，是一個典型的幾何非線性問題[3-4]。為便于分析和說明，將鋼管進行編號如圖1所示。

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

表1 管內混凝土灌注順序表

圖1 拱肋鋼管編號圖

圖2 管內混凝土灌注計算模型圖

四、計算結果

(一)灌注順序對拱肋應力影響分析

經過計算分析，可提取不同灌注順序時鋼管應力和核心混凝土應力。通過數據分析可得出以下結論：

1.核心混凝土應力值遠小于鋼管應力值；

2.最后一個施工階段鋼管應力最大。

圖3 應力影響分析圖

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

分析上圖可得出以下結論：

1.下弦桿最大應力出現于拱腳截面，上弦桿最大應力出現于拱頂截面，二者最大應力均遠小于鋼材的屈服強度；

2.整體而言，拱肋結構最大應力出現于拱腳截面處；

3.上(下)弦管先后灌注優于上(下)弦管交替灌注；應力較小的灌注順序(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，由內到外的灌注順序為受力較合理的灌注順序。

(二)灌注順序對拱肋變形影響分析

經過計算分析，可提取不同灌注順序下不同施工階段不同截面的累計變形值。通過數據分析可知：

1.最后一個施工階段(所有管內混凝土均灌注完成)累計變形值最大；

2.各鋼管在相同截面累計變形值基本相同。

故本文僅選取3號鋼管最后一個施工階段累計變形值進行對比分析，如圖4所示。

圖4 變形影響分析圖

由上圖分析可知：

1.拱腳截面變形較小；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)灌注順序對施工穩定性影響分析

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定性[3-4]。各灌注順序下，穩定系數相差較小，且均大于8。順序8管內混凝土灌注時拱肋1階整體失穩圖，如圖5所示。

圖5 灌注順序8拱肋1階整體失穩圖

分析上圖可知：

1.各種灌注順序下穩定系數變化趨勢相同，在管內混凝土達到設計強度階段穩定性較好，說明混凝土和鋼管已形成結合截面形式一起承擔荷載；

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

3.灌注順序為先灌注下弦管后灌注上弦管(順序6和8)時，各施工階段的穩定性相對較好。

五、結論

本文以西南地區某特大鋼管拱橋為例，通過對比分析可知：1.先灌注全部下弦管后灌注全部上弦管，再由內至外灌注方式為較合理的灌注順序；2.評價管內混凝土灌注順序優劣可重點參考：拱腳截面應力和拱頂截面變形兩項指標。

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

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

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

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

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