鋼管混凝土拱橋脫空問(wèn)題研究分析

張波波

【摘 要】根據(jù)對(duì)某鋼管混凝土拱橋的完全脫空和正常狀態(tài)的位移及穩(wěn)定性對(duì)比分析計(jì)算，研究脫空對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的具體影響，并總結(jié)出一些減輕脫空影響的相應(yīng)措施，可有效避免鋼管拱橋出現(xiàn)大規(guī)模的脫空，促進(jìn)和推動(dòng)鋼管混凝土拱橋的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】拱橋;鋼管混凝土;脫空;穩(wěn)定性;自振特性

中圖分類(lèi)號(hào)： U441;U448.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0181-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.088

0 引言

鋼管混凝土拱橋比傳統(tǒng)拱橋的優(yōu)點(diǎn)是自重荷載以及受到的風(fēng)荷載等較小，跨徑選擇多，承載能力高，拱肋曲線優(yōu)美，與周?chē)h(huán)境可以完美契合，在一段時(shí)期的拱橋的橋型選擇上是優(yōu)先選項(xiàng)，但根據(jù)對(duì)運(yùn)營(yíng)期間的鋼管混凝土拱橋進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，這種橋型也有缺陷，拱肋混凝土與鋼管之間脫空很容易出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，影響了這種橋型的正常發(fā)展，因?yàn)槊摽罩苯訙p弱了鋼管混凝土橋型的最大優(yōu)勢(shì)，即對(duì)鋼管和混凝土之間的套箍約束作用。

1 工程概況

鋼管混凝土組合拱橋總跨徑為192m，鋼管拱肋采用鋼管混凝土空間四肢式桁架結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑為129m，矢跨比為1/3.5。拱肋內(nèi)傾角為0，兩肋的寬度為1.55m，高度為2.5m，肋間中距為11m。上弦管曲線采用懸鏈線+圓曲線，尺寸為φ351×12mm鋼管，下弦管曲線采用懸鏈線，尺寸為φ351×16mm鋼管，拱腳位置進(jìn)行加強(qiáng)，將拱腳向上到1/8L處四肢使用鋼板連接成啞鈴型，上下弦管內(nèi)部灌注混凝土。邊孔為鋼筋混凝土箱形截面拱橋，曲線為懸鏈線，計(jì)算跨徑為23.8m，矢跨比為1/2。橫向的兩條拱肋間共設(shè)置7道橫撐，結(jié)構(gòu)形式為桁架一字式橫撐，吊桿處橫梁為預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土工字梁，行車(chē)道板采用預(yù)制混凝土T形梁。

2 模型建立

通過(guò)力學(xué)抽象，根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)資料，采用空間有限元分析軟件建立拱橋全橋空間力學(xué)模型。模型中的各種必須參數(shù)符合實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，上下弦管、吊桿、橫梁、立柱、帽梁、上部T梁等采用梁?jiǎn)卧M，拱腳位置的弦管間鋼板采用板單元模擬，模型中共有節(jié)點(diǎn)1302個(gè)，梁?jiǎn)卧?634個(gè)，板單元104個(gè)。

3 脫空高度

根據(jù)對(duì)拱橋的實(shí)際調(diào)查，鋼管混凝土拱肋的混凝土空洞的大小、形狀、范圍、在截面的位置、在拱肋的位置都不一樣，為了簡(jiǎn)化計(jì)算， 假定空洞都出現(xiàn)在上部，鋼管內(nèi)混凝土空洞高度為h。因?yàn)楦鱾€(gè)拱橋的鋼管直徑不同，空洞也不同，為了全面的分析空洞對(duì)拱橋的影響，對(duì)空洞高度h的取值為0mm-100mm。

4 脫空影響分析

4.1 脫空對(duì)拱肋線形的影響

拱橋除了材料比較重要，合理的線形控制才是保證拱橋正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的最重要因素，在拱橋施工時(shí)除了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，也要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)拱肋的線形標(biāo)高，如果線形與原設(shè)計(jì)線形有差別，很容易改變拱肋的內(nèi)力應(yīng)力分布，拱肋極易產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，而如果發(fā)生脫空現(xiàn)象會(huì)不會(huì)影響影響拱肋的線形，本文對(duì)脫空狀態(tài)下的拱橋位移進(jìn)行計(jì)算。

拱橋受力荷載為：拱橋恒載+移動(dòng)荷載+風(fēng)載，粘結(jié)狀態(tài)和完全脫空兩種狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如下圖所示：

根據(jù)上圖得出結(jié)論：脫空確實(shí)減弱了拱肋的豎向剛度，拱肋的豎向位移增大，其中拱肋跨中位置幅度最大，從這計(jì)算結(jié)果可知脫空和線形控制是相互作用的。

4.2 脫空對(duì)穩(wěn)定性的影響

接下來(lái)研究計(jì)算脫空對(duì)拱橋穩(wěn)定性的影響，在相同的荷載作用下比較脫空和粘結(jié)兩種狀態(tài)下拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)：

從以上的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：

各種狀態(tài)的失穩(wěn)模態(tài)皆為面外半波對(duì)稱(chēng)失穩(wěn)，沒(méi)有變化，但結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)有所改變首先脫空降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)，完全脫空下安全系數(shù)下降了36%，另外在h從0mm到100mm的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)一直下降，但其下降的幅度不同，當(dāng)h達(dá)到20mm時(shí)，一階結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)下降幅度很小，當(dāng)脫空高度〉20mm時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)幅度增大，下降了6.7%。

4.3 脫空位置對(duì)穩(wěn)定性的影響

脫空會(huì)發(fā)生在拱橋的任何位置，本文對(duì)在關(guān)鍵控制點(diǎn)（下弦拱腳、L/8、L/4、3L/8、L/2）處出現(xiàn)脫空現(xiàn)象時(shí)穩(wěn)定性的變化進(jìn)行研究計(jì)算，為方便計(jì)算，假定控制點(diǎn)位置處兩側(cè)的兩根上下鋼管脫空，計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，脫空發(fā)生在各個(gè)位置首先失穩(wěn)模態(tài)皆為橫向半波對(duì)稱(chēng)彎曲，未發(fā)生變化，但安全系數(shù)會(huì)下降，當(dāng)在拱頂位置出現(xiàn)脫空時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)最小，在拱腳位置出現(xiàn)脫空對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)影響最小。

5 總結(jié)及防治措施

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可知，脫空問(wèn)題會(huì)弱化拱肋的豎向和橫向剛度，在相同荷載作用下脫空狀態(tài)下拱橋豎向位移比完全粘結(jié)狀態(tài)下的位移要大，雖然各階的面外失穩(wěn)模態(tài)沒(méi)變，但脫空降低了拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)。脫空降低了拱橋的受力性能，影響了拱橋正常運(yùn)行及壽命，但在實(shí)際情況中脫空不可避免，需要采取一些相應(yīng)措施盡可能減輕脫空的影響。

5.1 前期預(yù)防

在設(shè)計(jì)階段采用保守安全的計(jì)算方法例如計(jì)算中不考慮鋼管與混凝土之間的相互作用，雖然會(huì)增加了點(diǎn)成本，但會(huì)比較安全，另外在設(shè)計(jì)時(shí)還有采用合適的拱橋參數(shù)如含剛率、合理的內(nèi)傾角、橫向支撐形式和位置等來(lái)增強(qiáng)拱橋剛度，減輕脫空的影響。

5.2 中期預(yù)防

在施工階段嚴(yán)控各個(gè)流程，清除管內(nèi)雜物，使用水泥漿潤(rùn)滑鋼管，避免出現(xiàn)泵送混凝土堵塞，均勻振搗混凝土，排除管內(nèi)多余空氣，也可以多加一些構(gòu)造措施，如在管內(nèi)壁設(shè)置一些縱向加勁肋，在拱肋內(nèi)部設(shè)置橫向的內(nèi)法蘭盤(pán)，內(nèi)法蘭盤(pán)不與拱肋的內(nèi)壁不緊密連接，并且內(nèi)法蘭盤(pán)表面在周?chē)_(kāi)設(shè)洞，在施工過(guò)程中基本會(huì)形成空腔，可以避免鋼管變形。

5.3 后期補(bǔ)救

當(dāng)預(yù)防措施失效，在施工完畢后或者運(yùn)營(yíng)階段發(fā)現(xiàn)拱橋出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，需要采用一些措施進(jìn)行補(bǔ)救。一種方法是在檢測(cè)出空洞的位置進(jìn)行開(kāi)孔，補(bǔ)入改性環(huán)氧砂漿進(jìn)行密實(shí)，施工完畢進(jìn)行二次檢測(cè)，這種方法的缺陷是對(duì)鋼管有損傷，影響美觀，而且有可能出現(xiàn)二次空洞，另外一個(gè)方法是在原拱橋的鋼管外再套上一個(gè)環(huán)，材料是鋼管混凝土，分段施工，采用法蘭螺栓連接，可提高拱橋的承載力，但這種方法的缺點(diǎn)是費(fèi)用較高，施工困難。

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