泵送混凝土對(duì)鋼管拱肋受力性能影響分析

王志山

摘要：本文主要針對(duì)目前鋼管混凝土拱橋泵送混凝土施工階段混凝土與鋼管拱肋之間的相互受力問題進(jìn)行研究，利用流固耦合的方法研究鋼管混凝土拱橋在泵送施工階段的整體及局部受力情況，為類似拱橋施工提供參考。

關(guān)鍵詞：泵送；混凝土；鋼管；拱肋

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）30-0133-04

1工程概況

杭長客運(yùn)專線烏溪江特大橋位于浙江省衢州市境內(nèi)，主橋上部構(gòu)造采用上承式啞鈴型鋼管混凝土拱肋，全長132m，矢跨比1/5，在拱肋平面內(nèi)矢高25.6m，拱肋采用懸鏈線線型。系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁截面，吊桿采用尼爾森體系，索體采用PES（FD）低應(yīng)力防腐索體，并外包不銹鋼防護(hù)。

2總體施工方案

烏溪江特大橋大跨度鋼管混凝土拱橋灌注混凝土采用泵送法施工。泵送混凝土是在混凝土泵的壓力推動(dòng)作用下沿輸送管道進(jìn)行運(yùn)輸并在管道出口直接澆筑的混凝土。混凝土的泵送施工已經(jīng)成為鋼管混凝土拱橋施工過程中的重要方法，該方法不僅可以改善混凝土施工性能、提高混凝土質(zhì)量，而且可以減輕勞動(dòng)力、降低成本等。

本橋總體施工方案采用滿堂支架法澆筑主梁及架設(shè)空鋼管拱肋，然后以鋼管作為勁性骨架灌注管內(nèi)混凝土，等到整個(gè)鋼管混凝土拱圈形成并且管內(nèi)混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行吊桿的張拉，最后進(jìn)行橋面鋪裝。施工過程劃分為四個(gè)主要階段：施工系梁、架設(shè)鋼管拱肋、灌注管內(nèi)核心混凝土及張拉吊桿。主要介紹鋼管拱肋的架設(shè)與拱肋混凝土灌注方法。

2.1鋼管拱肋的架設(shè)

拱肋鋼管采用Q345D鋼材。鋼管的制作由鋼廠承擔(dān)，鋼管拱肋在在室內(nèi)分段卷制焊接，在鋼管拱預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行試拼。對(duì)接無誤后再進(jìn)行噴鋁等防銹處理。空鋼管的架立采用滿堂支架安裝。系梁和拱腳混凝土澆筑完畢達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%后，進(jìn)行拱肋鋼管的安裝。先在支架上安裝兩邊段拱肋就位，再吊裝中間段進(jìn)行合攏，每一孔吊裝完成后及時(shí)安裝纜風(fēng)，保持鋼管拱肋的穩(wěn)定。待標(biāo)高、線形調(diào)整合理后，安裝、焊各接頭處焊縫，澆筑拱腳處承臺(tái)混凝土封拱腳，再安裝橫撐固定拱肋，最后拆除支架，因此拱肋的安裝可以按一次落架計(jì)算。

2.2拱肋混凝土灌注方法

烏溪江特大橋具有跨度大、拱頂高，混凝土泵送距離長、高度高、阻力大、施工時(shí)間長等特點(diǎn)，因此，烏溪江特大橋的鋼管混凝土灌注施工難度大、技術(shù)要求高。管內(nèi)混凝土的配制是泵送混凝土階段的關(guān)鍵技術(shù)，鋼管內(nèi)核心混凝土除了要有良好的高強(qiáng)、早強(qiáng)及良好的可泵性之外，還需要考慮其自密實(shí)性和收縮性，以保證泵送混凝土的質(zhì)量。

鋼管拱肋132m的管內(nèi)混凝土采用頂升法灌注，在鋼管拱腳部位適當(dāng)位置處開壓漿口，焊上設(shè)有閘閥的鋼管進(jìn)料口，直徑大小為125mm。進(jìn)料口鋼管與泵送管相連，并沿拱軸線在鋼管頂部設(shè)若干個(gè)排氣孔，混凝土在泵壓作用下，由下向上頂升推進(jìn)。在重力作用下，混凝土擠壓密實(shí)，氣泡及泌水則從排氣孔排出，最后混凝土與拱肋鋼管緊密固結(jié)，共同工作。

該橋跨度大，拱頂高，單根鋼管很難一次灌完，所以進(jìn)行分倉灌注。烏溪江特大橋拱肋進(jìn)行分倉，每根鋼管分為4個(gè)倉，經(jīng)過優(yōu)化比選，確定以下列順序進(jìn)行灌注：灌注上管→灌注下管→灌注腹腔。

3灌注混凝土階段鋼管拱肋受力分析

本文采用流固耦合的方法對(duì)鋼管拱肋灌注施工時(shí)的受力進(jìn)行分析，利用流體力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算出混凝土流體對(duì)鋼管壁施加的法向壓力及切向剪切力，然后將所得到的荷載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3.1全橋模型應(yīng)力計(jì)算

鋼材性質(zhì)符合Von-Mises理論，鋼材的應(yīng)力結(jié)果可采用等效應(yīng)力結(jié)果。

灌注上管與下管時(shí)拱肋鋼管等效應(yīng)力云圖如圖1、圖2所示。由于鋼管截面為圓形，截面應(yīng)變主要為切向拉應(yīng)變，從整體來看鋼管拱肋的等效應(yīng)力較小，不大于20MPa。鋼管在兩處地方等效應(yīng)力值較大：

①在拱肋與套管焊接處由于應(yīng)力集中，等效應(yīng)力最大達(dá)到63.6MPa，但高應(yīng)力區(qū)很小，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力影響很小：

②在混凝土泵送支管與拱肋焊接處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，等效應(yīng)力較大。以灌注上管時(shí)為例，上管開口處等效應(yīng)力為34.1MPa，腹板開口處等效應(yīng)力為60.9MPa，下管開口處等效應(yīng)力最大，為89.6MPa。從圖1、圖2的細(xì)部圖可以看出，高應(yīng)力區(qū)域范圍均很小。

灌注腹腔時(shí)拱肋鋼管的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。在灌注腹腔時(shí)，在腹腔不設(shè)加勁鋼筋的情況下，等效應(yīng)力相比灌注上下管急劇增大，拱肋下部腹板大部分區(qū)域等效應(yīng)力值超過了材料的屈服應(yīng)力345MPa。等效應(yīng)力最大值發(fā)生在鋼管與腹板連接處，從圖3細(xì)部圖中可以看出，等效應(yīng)力值為832.4MPa。腹板和鋼管之間的焊縫很可能被拉裂而引發(fā)爆管事故。腹板在混凝土流體的壓力作用下會(huì)外鼓，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大橫向變形值達(dá)到20mm。

3.2腹腔加勁方案

灌注管內(nèi)混凝土?xí)r，由于上下管為圓形，鋼管截面以環(huán)向拉力為主，因此等效應(yīng)力及變形相對(duì)較小。但在套管與拱肋鋼管焊接處等效應(yīng)力值較大：而在灌注腹腔混凝土?xí)r，在不設(shè)腹腔拉筋時(shí)，腹板處會(huì)產(chǎn)生很大的彎矩，使截面等效應(yīng)力很大，在泵送壓強(qiáng)相差不大的情況下，灌注腹腔時(shí)結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力要大大高于灌注上下管時(shí)的最大應(yīng)力。因此，為防止拱肋鋼管在灌注腹腔混凝土?xí)r發(fā)生鼓包及可能出現(xiàn)的爆管現(xiàn)象，烏溪江特大橋在拱肋腹腔內(nèi)沿程設(shè)置了加勁角鋼及鋼筋，加勁角鋼和鋼筋端部焊接于腹板內(nèi)側(cè)，鋼筋同時(shí)也與角鋼焊接在一起。加勁鋼筋實(shí)際為兩排，沿拱軸線間距為50cm。

3.3拱肋局部模型計(jì)算

為分析泵送壓力下鋼管拱肋的應(yīng)力大小，建立4m長的局部模型進(jìn)行分析。局部模型中將不考慮上下鋼管中加勁箍的加勁作用，在中間位置處設(shè)置垂直于拱肋的吊桿套管。并對(duì)模型做如下假設(shè)：①管內(nèi)的壓強(qiáng)按均布考慮；②忽略自重影響；③不考慮加勁角鋼對(duì)腹板的加強(qiáng)作用。endprint

拱肋灌注順序?yàn)樯瞎芤幌鹿芤桓骨唬嘧⑾鹿軙r(shí)上管內(nèi)混凝土已經(jīng)硬化并與拱肋共同受力。在局部模型不考慮重力影響的情況下，由于隔著腹腔，上管的剛度變化對(duì)下管的受力影響很小，因此灌注下管時(shí)下管截面的受力與上管是否以灌注混凝土關(guān)系不大。

3.3.1列出了灌注上管時(shí)上管的等效應(yīng)力及變形結(jié)果如表1。

灌注上管時(shí)上管等效應(yīng)力及變形云圖（管內(nèi)壓強(qiáng)0.8MPa）分別如圖4、圖5所示。

上管截面為圓形截面，在均布內(nèi)壓強(qiáng)作用下，鋼管處于環(huán)向受拉狀態(tài)。鋼管等效應(yīng)力較小，最大值發(fā)生在鋼管與套管交接處。在管內(nèi)壓強(qiáng)為0.8MPa下，鋼管最大等效應(yīng)力為82.3MPa，遠(yuǎn)小于Q345鋼的屈服應(yīng)力；最大變形為0.16mm。因此灌注上管和下管時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一次泵送到頂。

3.3.2列出了灌注腹腔時(shí)不設(shè)拉筋情況下腹板的等效應(yīng)力、變形結(jié)果如表2。

腹板等效應(yīng)力云圖及橫向變形（管內(nèi)壓強(qiáng)0.6MPa）如圖6、圖7所示。

3.3.3同理列出了加設(shè)拉筋情況下灌注腹腔時(shí)腹板的等效應(yīng)力、變形結(jié)果及腹板加勁鋼筋的計(jì)算結(jié)果如表3。

3.4計(jì)算結(jié)果分析

①加設(shè)鋼筋拉桿后，由應(yīng)力云圖可知腹板應(yīng)力分布發(fā)生改變，腹板與拉桿連接的位置將出現(xiàn)應(yīng)力集中。同時(shí)腹板與圓管交界處應(yīng)力變小，不再是控制腹板受力的薄弱區(qū)域：

②鋼筋拉桿承擔(dān)了很大部分壓強(qiáng)。由于鋼筋拉桿的存在，大大減小了腹板的受力水平，使腹板等效應(yīng)力大大減小。在壓強(qiáng)為0.2MPa的情況下，不加鋼筋拉桿的工況下腹板大部分區(qū)域達(dá)到屈服應(yīng)力345MPa，而加設(shè)鋼筋拉桿后最大等效應(yīng)力為77.7MPa，整個(gè)腹板均處于彈性變形狀態(tài)；

③鋼筋拉桿同時(shí)限制了腹板的變形，保證了結(jié)構(gòu)外觀的美觀性。在壓強(qiáng)為0.2MPa的情況下，不加鋼筋拉桿的腹板橫向變形為19.5mm，加設(shè)鋼筋拉桿后橫向變形為2.24mm，約為前者的1/10。

④實(shí)際加勁方案鋼筋拉桿在管內(nèi)壓強(qiáng)為0.5MPa左右即已達(dá)到極限強(qiáng)度235MPa，成為結(jié)構(gòu)安全控制因素。因此建議提高鋼筋強(qiáng)度等級(jí)或加密拉筋間距。

4結(jié)束語

通過對(duì)烏溪江特大橋鋼管拱肋灌注施工時(shí)的受力進(jìn)行分析，成功優(yōu)化了泵送混凝土施工方案，確保了工程施工質(zhì)量，受到業(yè)主的高度贊揚(yáng)。建議在以后類似工程施工中在混凝土塌落度損失不大的情況下對(duì)啞鈴型拱肋的上、下管可以采用一次泵送到頂，但中間腹腔內(nèi)混凝土建議采用兩次接力泵送。另外，腹腔部分左右腹板之間的拉筋數(shù)量必須按設(shè)計(jì)要求布設(shè)，同時(shí)要確保拉筋與腹板的焊接質(zhì)量，即焊接強(qiáng)度要大于拉筋母材的強(qiáng)度。endprint