鋼管勁性骨架混凝土拱橋穩定性分析

吳杰

(重慶交通大學，重慶400000)

近年來鋼管混凝土勁性骨架拱橋在中國飛速發展，它是采用纜索吊裝技術懸臂拼裝勁性骨架，待得勁性骨架合龍之后，灌注弦管內混凝土，再利用鋼管混凝土作為勁性骨架作為施工支架，在其上鋪設模板布置鋼筋按照施工順序分環分段澆筑拱圈混凝土，一般先多點均衡澆筑底板混凝土，待得底板混凝土形成剛度之后，在澆筑腹板與頂板，底板與勁性骨架共同承擔混凝土澆筑時的施工荷載及混凝土濕重荷載，最終形成勁性骨架混凝土拱圈。這種結構合理的利用鋼管和混凝土兩者材料的特性，克服了普通混凝土拱肋自重過大造成的施工困難問題，節約了采用強大的纜吊系統的費用，并且結構剛度大，跨越能力強，適用于我國地質條件較好的峽谷和山谷地區。隨著鋼管混凝土勁性骨架拱橋跨度的增大,勁性骨架施工方法在實際施工當中的運用, 在施工過程中分析勁性骨架的弦管應力、混凝土應力、主拱線性與穩定性,保證勁性骨架可靠工作是工程師們尤為關注的問題。穩定破壞是指結構內部的抵抗力與荷載之間發生了不穩定的平衡狀態，導致結構的變形急劇增大發生破壞，故穩定問題屬于結構或某個構件的變形問題[1]。

1 穩定性分析

1.1 勁性骨架拱橋施工穩定性

勁性骨架拱橋在施工過程中,當澆筑底板混凝土時,混凝土濕重荷載全由勁性骨架承擔,此時整個穩定性能最差。隨著已澆筑的混凝土具有剛度之后不同程度地參與受力, 其結構的穩定性得到了提高, 但當澆筑頂板混凝土時荷載全由勁性骨架與形成剛度的底板和腹板混凝土共同承擔,這時的穩定性有可能是較差的。對于由分環分段澆筑形成拱箱的勁性骨架拱橋, 應根據施工過程計算其穩定性。

1.2 勁性骨架拱橋施工穩定性影響因素

勁性骨架拱橋的失穩與一般拱橋的失穩略有差距, 勁性骨架和混凝土板的受力是根據施工工序疊加的, 每次加載的承擔荷載的結構都不盡相同,導致勁性骨架弦桿和腹桿的應力不均勻。很可能在結構整體失去穩定性之前, 已發生局部弦桿失穩。所以我們在計算施工過程的穩定性時,必須考慮各桿件的受力。跨度很大的勁性骨架結構又相對自重較輕的拱圈在分環分段澆筑混凝土時,結構變形對內力的影響不能忽略不計,且各次加載所產生的位移也是非線性的,此即幾何非線性，因此我們在理論計算時也需要考慮幾何非線性。勁性骨架拱橋在不同施工階段，在勁性骨架進行懸臂拼裝過程中，難以避免的存在施工誤差，使得拱橋拱肋產生高程誤差，成橋后橋梁軸線和設計軸線出現偏差。結構初始缺陷對橋梁結構穩定性的影響分析是必須進行的[2]。勁性骨架拱橋作為一種高次超靜定結構，溫度變化對結構力學行為的影響也是要考慮的因素。

2 工程概況

某主拱圈為凈跨徑200m 上承式勁性骨架鋼筋混凝土箱拱，凈矢跨比1/5，主拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.988。橋梁全長284.3m，橋面全寬12m。主拱圈采用鋼管混凝土勁性骨架，拱圈分為18 個節段，節段長約12m，拱軸線范圍內均為等截面，拱圈高360cm，寬850cm。

該橋采用纜索吊裝勁性骨架, 然后往鋼管由下往上灌注C80自密實混凝土,待混凝土凝固后再分環分段澆筑外包混凝土,最后施工拱上立柱肋外包混凝土采用“三環六面”法施工。“三環”即將主拱截面沿拱軸分作底板、腹板和頂板三環。每次施工一環，每一環采用多點均衡澆筑, 下一次施工必須在上一次施工的混凝土養護一個齡期后進行，使得澆筑完的混凝土與勁性骨架共同承擔新澆筑混凝土的濕重荷載。六面即將每一環沿主拱圈分做六段,澆筑混凝土時, 每一段在前一工作段凝固混凝土的基礎上同時施工,分多次澆筑完畢,最后完成該環混凝土的澆筑。

3 模型計算

弦管、橫聯、平聯均采用梁單元，腹桿、外包混凝土采用板單元，扣索采用桁架單元，橫隔板采用集中力模擬，頂底板倒角處混凝土重量以均布荷載模擬。依次建立節點、單元并定義材料、截面、厚度、邊界條件、荷載方案、施工階段等，建立MIDAS/Civil 分析模型圖1 所示。

圖1 Midas/civil 模型

在實際施工過程中，我們必須考慮勁性骨架在最大懸臂狀態下的穩定性，根據規范《公路橋梁抗風設計規范》計算出風荷載，我們可以得到在風荷載下，結構的穩定性系數。（這里我們僅考慮一階屈曲）

計算可知：（1）在封鉸前一階段6 級橫向風作用下，一階屈曲系數 λ=43.1，大于4.0，滿足要求。（2）在封鉸前一階段11 級橫向風作用下，一階屈曲系數 λ=40.1，大于4.0，滿足要求。（3）最大懸臂階段6 級橫向風作用下，一階屈曲系數 λ=18.5，大于4.0，滿足要求。（4）最大懸臂階段11 級橫向風作用下一階屈曲系數 λ=15.1，大于4.0，滿足要求。綜上，在有風作用，且無論是在封鉸前一個施工階段還是最大懸臂狀態，結構都處于安全穩定狀態。

根據結構的實際受力特征，選取腹板混凝土澆筑過程中最不利階段進行穩定性分析，即澆筑腹板合龍段混凝土前一個施工階段。計算可知，一階屈曲系數 λ=13.7，大于4.0，滿足要求，如圖2 所示。選取澆筑頂板合龍段混凝土前一個施工階段來分析其穩定性。計算可知，一階屈曲系數 λ=27.3，大于4.0，滿足要求，如圖3 所示。

圖3 頂板混凝土澆筑階段穩定性計算

4 結論

通過對大橋主拱圈勁性骨架混凝土拱橋建立Midas/civil 模型,分析其施工階段的穩定性,并根據規范計算風荷載，計算出風荷載對施工階段穩定性影響，對各施工階段穩定系數進行計算分析,得出以下結論:

4.1 計算結果表明穩定系數滿足規范要求。橋梁施工過程中穩定系數較低的階段為鋼管內混凝土灌注后僅計濕重階段及腹板混凝土澆筑僅計濕重階段,此時混凝土未形成強度,相當于外荷載作用于結構上。這2 個階段在施工中應格外特別注意,并應采取相應的方法增強施工階段穩定性。

4.2 風荷載對穩定系數的影響主要體現在吊裝階段最大懸臂狀態,穩定系數在這個時候下降較大,不可忽視風荷載的作用,應注意采取措施增強抗風穩定性。