鋼管混凝土拱橋混凝土澆筑對勁性骨架受力影響分析

王 超， 張 濤,2

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000;2.河南省交院工程檢測科技有限公司，河南，鄭州 450000)

0 引 言

大跨徑鋼管混凝土拱橋鋼管根數(shù)多、跨度大，進(jìn)行混凝土澆筑時要考慮到混凝土的澆筑次序和凝固時間。由于鋼管內(nèi)的混凝土是逐漸凝固的，澆筑混凝土的過程也是勁性骨架剛度形成的過程。不同的澆筑次序會導(dǎo)致不同的荷載效應(yīng)，對勁性骨架的剛度和結(jié)構(gòu)受力都有較大影響，因此研究鋼管混凝土的澆筑過程有其必要性。

鋼管混凝土拱橋的主要受力結(jié)構(gòu)就是鋼管混凝土拱肋組成的勁性骨架。鋼管運至施工現(xiàn)場，按照施工方案分階段拼裝焊接，先形成鋼拱結(jié)構(gòu)，然后向鋼管內(nèi)部澆筑混凝土。混凝土凝固后和鋼管共同作用發(fā)揮承載能力。勁性骨架的施工質(zhì)量和施工階段的受力需要重點關(guān)注和分析。

本文依托于某大跨徑鋼管混凝土拱橋項目，從勁性骨架施工完成后開始分析，首先分析了骨架本身應(yīng)力情況，然后比較了鋼管內(nèi)混凝土的不同澆筑順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，主要分析了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和穩(wěn)定性，最后比較了混凝土不同澆筑間隔下成橋勁性骨架鋼管應(yīng)力的不同。

1 鋼拱肋合龍階段應(yīng)力狀態(tài)分析

某下承式鋼管混凝土拱橋，全橋長380 m。結(jié)構(gòu)兩側(cè)布置拱肋，每側(cè)拱肋由上下各3根φ480 mm×18 mm的鋼管組成，內(nèi)澆筑C80混凝土。兩側(cè)拱肋之間通過橫聯(lián)角鋼和豎向角鋼連接構(gòu)成桁架體系。設(shè)計總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖

分析不同的施工方案對勁性骨架的不同影響，需要首先分析鋼管合龍后混凝土澆筑前拱肋本身的應(yīng)力情況，選取左側(cè)拱肋，分析合龍后各鋼管應(yīng)力。由于關(guān)于中心對稱的鋼管應(yīng)力反應(yīng)基本一致，因此僅列出半跨范圍內(nèi)的下層1#、2#，上層3#、4#鋼管應(yīng)力。鋼管布置及編號如圖2所示，應(yīng)力曲線如圖3所示(壓應(yīng)力為“-”，拉應(yīng)力為“+”，以下同)。

圖2 勁性骨架鋼管橫斷面圖(單位：m)

圖3 1#～4#鋼管合龍后應(yīng)力圖

可見鋼管合龍時，跨徑范圍內(nèi)鋼管應(yīng)力有一定的規(guī)律。對于上弦或下弦而言，中間鋼管和兩側(cè)鋼管的應(yīng)力趨勢基本一致，數(shù)值有稍微差別。上下弦鋼管之間有明顯的差異。上弦鋼管在拱腳位置有極大值，之后逐漸減小，到1/8附近達(dá)到極小值，隨后逐漸增大，到拱頂位置達(dá)到極大值，全跨范圍內(nèi)絕對值最大發(fā)生在1/8附近位置。下弦鋼管則相反，在拱腳位置有極小值，之后逐漸增大， 1/8附近為其極大值，隨后逐漸減小到拱頂位置達(dá)到極小值，全跨范圍內(nèi)絕對值最大發(fā)生在拱頂位置。

2 不同混凝土澆筑順序下鋼拱肋應(yīng)力分析

鋼骨架合龍后，即可開始澆筑鋼管混凝土。拱肋鋼管為空間結(jié)構(gòu)布置，因此可選擇多種施工順序。主要區(qū)別為上、下順序的不同和內(nèi)、中、外順序的不同?；炷烈唤?jīng)澆筑，即成為勁性骨架的一部分。隨著混凝土強度逐漸增加，勁性骨架的承載能力也在不斷變化。因此混凝土的澆筑順序會對勁性骨架的承載能力有一定影響。為研究此問題，使用橋梁專用有限元軟件MIDAS Civil建立橋梁模型進(jìn)行計算。施工方案為：兩岸對稱澆筑，假定每5天澆筑一對鋼管，每對鋼管澆筑5天后即下一對鋼管開始澆筑時開始受力，全部鋼管澆完要30天。

選定的4種澆筑方案見表1，分析不同澆筑方案下勁性骨架施工完成后鋼管的應(yīng)力，上下弦中心1#、2#鋼管的應(yīng)力計算結(jié)果較有代表性，其應(yīng)力曲線見圖4。

表1 不同混凝土澆筑順序方案

圖4 不同施工方案下1#、2#鋼管應(yīng)力圖

與合龍后鋼管應(yīng)力比較，上下弦鋼管應(yīng)力都有一定的增幅，在30～50 MPa之間。不同的施工方案下鋼管應(yīng)力值差別極小，沿跨徑變化趨勢基本相同，說明澆筑順序的變化對鋼管最終應(yīng)力影響很小。

3 不同混凝土澆筑順序下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

施工過程中不僅要進(jìn)行強度計算，還要關(guān)注結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。拱肋結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，一般是兩側(cè)拱肋尚未連接成桁架體系時，施工荷載達(dá)到臨界值，使拱肋離開受載的平面向空間彎扭。根據(jù)工程慣例，拱肋的線彈性穩(wěn)定系數(shù)須大于4。

參照表1的5種施工方案，計算出各種施工方案下各施工階段勁性骨架的穩(wěn)定系數(shù)，以對比分析不同施工順序?qū)判怨羌芊€(wěn)定性的影響。定義澆筑每一對鋼管為一個施工階段，共6個施工階段，各階段穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 不同混凝土澆筑方案下的線彈性穩(wěn)定性系數(shù)

可見，隨著混凝土的澆筑，各種方案的穩(wěn)定性都會降低，方案3在施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最好。對本橋而言，各種方案的穩(wěn)定系數(shù)均大于4，說明即便不考慮輔助安全措施，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也是極好的。事實上，即使計算通過，現(xiàn)場也會增設(shè)抗風(fēng)攬或者支架以增加穩(wěn)定安全系數(shù)，這是為了防止材料非線性造成的計算誤差。

一般而言，對于小跨徑的鋼管混凝土拱橋，由于每次澆筑的混凝土數(shù)量不多，不同的澆筑順序?qū)︿摴芑炷翝仓┕さ姆€(wěn)定性影響不大。對于大跨徑多拱肋的鋼管混凝土拱橋，由于施工工序復(fù)雜，澆筑混凝土量多，澆筑混凝土的施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力影響復(fù)雜，其穩(wěn)定性需根據(jù)具體的橋梁結(jié)構(gòu)和施工方案詳細(xì)分析。

4 不同混凝土澆筑間隔下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

為分析混凝土澆筑間隔的不同對鋼管骨架應(yīng)力的影響，現(xiàn)以方案3為例，將混凝土澆筑間隔分別定為1、5、15 d。施工完成后，得到骨架鋼管應(yīng)力，此處展示上下弦中心1#、2#鋼管應(yīng)力狀況，如圖5所示。

圖5 不同齡期方案下1#、2#鋼管應(yīng)力圖

可見，不同混凝土澆筑間隔得到的鋼管應(yīng)力趨勢是基本相同的。澆筑間隔越長，則施工完成后應(yīng)力狀況越好，因此盡量不要采用1 d間隔連續(xù)澆筑混凝土，綜合考慮安全與工期因素，采用5 d是最佳選擇。

5 結(jié) 論

(1) 鋼管合龍時，跨徑范圍內(nèi)鋼管應(yīng)力有一定的規(guī)律。上弦三根鋼管應(yīng)力趨勢一致，下弦三根鋼管應(yīng)力趨勢一致，但上下弦鋼管之間有明顯的差異。上弦鋼管全跨范圍內(nèi)絕對值最大發(fā)生在1/8附近位置，下弦鋼管全跨范圍內(nèi)絕對值最大發(fā)生在拱頂位置。對上弦或下弦三根鋼管而言，兩側(cè)對稱鋼管數(shù)據(jù)基本一致，中間鋼管數(shù)據(jù)有稍微差異。

(2) 對同一鋼管而言，不同的施工方案下應(yīng)力趨勢和數(shù)值基本一致，差別極小，因此可以認(rèn)為在理想的施工條件下，鋼管混凝土勁性骨架的最終應(yīng)力與澆筑順序無關(guān)。

(3) 對規(guī)模較小的鋼管混凝土勁性骨架，由于每次澆筑的混凝土數(shù)量不多，不同的澆筑順序?qū)判怨羌艿姆€(wěn)定性和受力影響不大。對于大跨徑多拱肋的鋼管混凝土拱橋，則需要根據(jù)具體的橋梁和施工方案詳細(xì)分析。對本橋而言，采用內(nèi)-中-外(下-上)的順序穩(wěn)定性最好。

(4) 澆筑混凝土的間隔越長，施工完成后應(yīng)力狀況越好，與1 d和15 d相比，采用5 d是結(jié)構(gòu)應(yīng)力和工期兼顧的最佳選擇。實際施工時可考慮現(xiàn)場人員、機械和氣溫等條件綜合安全與工期因素具體選擇澆筑間隔，盡量不要采用1 d間隔連續(xù)澆筑混凝土。