鋼管混凝土拱橋混凝土灌注索力優(yōu)化研究

畢碩松 朱建明 張恒通

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100088； 2.交通運(yùn)輸部路網(wǎng)監(jiān)測與應(yīng)急處置中心，北京 100029)

1 概述

某中承式鋼管混凝土拱橋，主橋跨度為330 m，橋面梁為“工”型格子梁，橋面板為鋼—混凝土組合橋面板，主橋吊桿間距為13 m。研究該橋拱圈內(nèi)混凝土灌注過程中主動(dòng)調(diào)整扣索索力對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移及穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行灌注階段無扣索的施工階段分析結(jié)果，調(diào)載控制目標(biāo)為：1)在鋼管混凝土灌注全過程中，拱頂不上翹，拱腳3/8L處不過多下?lián)希谷熬鶆蜃冃危?)使灌注完混凝土的鋼管的初應(yīng)力較不調(diào)載的情況更小。

從龔成立的研究成果看出，主動(dòng)調(diào)索后應(yīng)力分布并不均勻；林春姣、鄭皆連的研究成果是針對分段、多工作面混凝土澆筑進(jìn)行研究，該研究不適用于鋼管混凝土拱橋。查看幾篇相關(guān)研究文獻(xiàn)，有對勁性骨架拱橋進(jìn)行混凝土澆筑期間扣索索力調(diào)整，有對鋼管混凝土拱橋混凝土灌注期間進(jìn)行調(diào)整研究，但施加扣索力會(huì)導(dǎo)致扣點(diǎn)附近應(yīng)力突變、分布不均勻，而在混凝土灌注期間未主動(dòng)施加扣索索力調(diào)整的話，拱肋鋼管及混凝土應(yīng)力分布較為均勻。

采用MIDAS/CIVIL建立施工階段模型，如圖1所示。其中混凝土灌注模擬采用施工階段聯(lián)合模型，分析時(shí)考慮到實(shí)際混凝土為無收縮自密實(shí)混凝土，主要提取成橋階段累計(jì)應(yīng)力、位移及灌注混凝土階段累計(jì)位移及應(yīng)力。

2 成橋階段應(yīng)力結(jié)果

提取出成橋階段拱肋上下弦桿鋼管和混凝土的上下緣應(yīng)力值。從中總結(jié)其特點(diǎn)及規(guī)律，如圖2，圖3所示。

1)按照目前灌注順序，下弦桿鋼管應(yīng)力較為均勻，為-100 MPa～120 MPa之間；而上弦桿，混凝土的灌注順序?yàn)橄裙嘧⒊蓸驙顟B(tài)下，拱腳部位上弦桿鋼管應(yīng)力為-22 MPa，而L/4～L/2鋼管應(yīng)力分布嚴(yán)重不均勻，而下弦桿鋼管應(yīng)力分布較為均勻；上弦桿混凝土應(yīng)力分布均勻，下弦桿混凝土分布卻不均勻，經(jīng)分析，原因應(yīng)為混凝土參與受力時(shí)間滯后一個(gè)施工階段的問題；

2)鋼管內(nèi)混凝土受力規(guī)律落后于該鋼管的受力，因?yàn)辇g期及強(qiáng)度的關(guān)系，基本上在本階段不承重，從下一階段才開始參與受力；

3)上弦桿鋼管應(yīng)力儲(chǔ)備較大，尤其是拱腳～L/8區(qū)間內(nèi)。

3 施工階段應(yīng)力結(jié)果

施工階段僅提取了混凝土應(yīng)力，在混凝土灌注階段，混凝土容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，從取得的結(jié)果來看，最大拉應(yīng)力為0.571 MPa，發(fā)生在灌注右側(cè)下弦外側(cè)管時(shí)產(chǎn)生，且位置發(fā)生在右側(cè)上弦桿內(nèi)側(cè)的跨中處，如圖4,圖5所示。

從這些應(yīng)力結(jié)果中能夠看出，拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置主要是在拱肋的合龍段，隨后逐漸轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，成橋后壓應(yīng)力分布均勻。

4 混凝土灌注階段結(jié)構(gòu)變形

為仔細(xì)分析混凝土灌注階段拱肋整體產(chǎn)生的變形情況，現(xiàn)對一個(gè)混凝土鋼管內(nèi)混凝土灌注細(xì)分為4個(gè)階段(1～4，其中“1”代表“拱腳～1/8L”，“2”代表“1/8L～1/4L”，“3”代表“1/4L～3/8L”，“4”代表“3/8L～1/2L”，另一半拱肋按對稱處理)，先提取出各個(gè)灌注階段的拱肋整體變形情況，具體如圖6～圖9所示。

1)從變形情況看，由于不是左右側(cè)拱肋同時(shí)灌注混凝土，則左右側(cè)拱肋變形不對稱，灌注過程中相對差值較大，尤其是在拱頂和L/4處。最大階段步驟位移為-27.7 mm。

2)剛開始澆筑混凝土拱肋鋼管位移較大，隨著鋼管內(nèi)混凝土逐漸上強(qiáng)度，后期澆筑混凝土產(chǎn)生的位移逐漸變小。

3)在混凝土灌注期間，主拱肋產(chǎn)生的變形絕對值和相對值均不大。

5 結(jié)論與展望

從上述結(jié)果看，如進(jìn)行調(diào)整，其目標(biāo)就是成橋階段上、下弦桿鋼管及混凝土應(yīng)力分布更為均勻。具體思路為建立模型，包含不同根扣索及張拉索力，按照影響線及影響面積等理論確定影響較大的扣索，并注意考慮扣索的破斷力，選擇相應(yīng)扣索，與未調(diào)索方案對比施工階段及成效階段各個(gè)方案的合理性。