勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土分環連續澆筑方案研究

李 成，黎 群，黃賢智，車 野

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

近年來，勁性骨架拱橋以其卓越的跨越能力以及便于后期維護等優點[1-2]受到橋梁工程師的青睞。這類大跨徑拱橋通常采用無支架施工，其施工過程是先懸拼鋼骨架[3]，再澆筑鋼管混凝土，最后外包混凝土[4]。其中，拱圈外包混凝土的施工一直都是該橋型的控制難點，也形成了很多系統的控制理論。據已有研究表明：單一的控制方法會導致拱圈鋼管混凝土和外包混凝土出現過大拉應力等問題[5]。本文將以某橋為例，模擬斜拉扣掛法對施工過程進行控制，并對比分析不同工況下該橋分環連續澆筑過程中結構應力變化情況，為今后同類型橋梁外包混凝土澆筑提供參考。

1 工程概況

某橋為勁性骨架拱橋，拱圈計算跨徑為416 m，計算矢高為99 m，拱軸線為拱軸系數1.8的懸鏈線，其主橋立面布置如圖1所示。主橋拱圈采用單箱三室變寬度箱形截面，拱頂段寬度為16.8 m等寬，拱腳65 m為26.8～16.8 m變寬，截面高度均為8.5 m。邊箱頂板、底板、腹板均為變厚度，從拱腳到拱頂逐段變化，其中拱腳底板最厚為110 cm，拱頂處底板最薄為55 cm，中箱底板、頂板、腹板厚度均為60 cm。外包混凝土方量為2 400 m3。骨架鋼管采用q355鋼材，鋼管混凝土采用C80高性能混凝土，外包混凝土采用C50高強混凝土。拱圈截面如圖2所示。

圖1 某橋立面布置圖(cm)

圖2 某橋拱圈截面示意圖(cm)

目前大跨徑勁性骨架拱橋外包混凝土澆筑一般采用斜拉扣掛分環連續澆筑法[6]，該法施工要求混凝土連續澆筑能力強。根據現場實際情況，該橋外包混凝土分六環連續澆筑，即邊底板→下腹板→上腹板→邊頂板→中底板→中頂板。外包混凝土分環連續澆筑示意圖如圖3所示。本文扣索錨固位置根據主拱圈拱腳、1/4L及拱頂彎矩影響線確定。具體做法是，取1/2上弦桿作為影響線計算模型，尋找影響線最大值的位置，影響線最大值位置可作為扣索設置點。理論上，在該位置設置扣索，作用效率最高[7]。控制截面影響線示意圖如圖4～6所示。

圖3 外包混凝土分環連續澆筑示意圖

圖4 拱頂截面彎矩影響線示意圖

圖5 1/4L截面彎矩影響線示意圖

圖6 拱腳截面彎矩影響線示意圖

由圖4～6可知，1/4L截面負彎矩影響線最大值位置已經距離跨中截面彎矩影響線所確定的扣點位置較近，為簡化計算不考慮該點。本文取跨中截面彎矩影響線最大值位置和拱腳截面彎矩影響線最大值位置這兩點作為斜拉扣索設置點。扣點設置如圖7所示。

圖7 扣索設置示意圖

2 模型分析

采用Midas Civil軟件對本橋拱圈外包混凝土分環連續澆筑進行模擬分析[8]。本模型共計單元數為9 302個，其中板單元2 002個，梁單元7 300個。有限元模型中鋼管混凝土采用施工階段聯合截面模擬，鋼管、弦桿采用梁單元模擬，外包混凝土采用板單元模擬。拱腳固結，扣索索力采用等效節點荷載代替，混凝土硬化前濕重采用節點荷載加載，硬化后再激活相應板單元，鈍化節點荷載。外包混凝土在第一、第二環形成強度后，骨架和外包混凝土形成整體剛度，扣索對結構的調載效果減弱，所以本文研究的斜拉扣索調載只作用于第一環和第二環澆筑過程中。經過現場實際調研，本文模擬以下四個荷載工況以分析外包混凝土分環連續澆筑，并對比得到最優的拱圈外包混凝土連續施工方案[9-10]。

(1)工況一：澆筑第二環獲得強度后放松1#扣索、2#扣索。

(2)工況二：澆筑第三環獲得強度后放松1#扣索、2#扣索。

(3)工況三：澆筑第四環獲得強度后放松1#扣索、2#扣索。

(4)工況四：澆筑第三環獲得強度后放松2#扣索，澆注第四環獲得強度后放松1#扣索。

3 計算結果與分析

3.1 勁性骨架的鋼管受力

勁性骨架外包混凝土澆筑過程中，鋼管骨架內包鋼管混凝土外包混凝土，在施工初期要承擔鋼管混凝土荷載，后期和鋼管混凝土一起承擔外包混凝土澆筑的荷載，受力復雜。據已有研究成果可知，勁性骨架拱橋施工過程中拱腳和拱頂截面受力非常不利。下頁圖8展示了四個工況每環澆筑過程中上、下弦桿拱腳截面、1/4L截面、拱頂截面等截面的應力變化情況。圖中應力以受拉為正、受壓為負。

由圖8可知：

圖8 勁性骨架上下弦桿控制截面應力變化對比曲線圖

(1)在外包混凝土澆筑過程中，骨架鋼管各控制截面應力發展曲線緩和，未出現有應力突變的情況，上弦桿拱腳截面應力隨著施工進度逐漸減小最后達到恒定，這是因為隨著第一、第二環澆筑完畢，混凝土硬化，拱圈剛度增大，拱腳負彎矩減少；其余控制截面弦桿應力隨著施工進度應力逐漸增大最后達到恒定狀態。

(2)骨架鋼管應力分析結果顯示，工況一鋼管應力最大值為258 MPa；工況二鋼管應力最大為262 MPa；工況三鋼管應力最大為257 MPa；工況四鋼管應力最大為256 MPa。四個工況鋼管最大應力都未超過鋼管屈服強度355 MPa。

上述計算結果表明：設置斜拉扣索對勁性骨架外包混凝土澆筑過程中鋼管的應力控制效果良好。從鋼管受力分析角度考慮，采用工況四進行外包混凝土澆筑優于其余三種工況。

3.2 勁性骨架鋼管混凝土受力

勁性骨架外包混凝土澆筑過程中，因為負彎矩的影響導致拱腳部位鋼管混凝土易出現較大拉應力，圖9展示了四個工況每環澆筑過程中上弦桿鋼管混凝土拱腳截面、1/4L截面、拱頂截面等截面的應力變化情況(限于篇幅，僅展示上弦桿截面圖)。

由圖9可知：

圖9 勁性骨架上弦桿鋼管混凝土控制截面應力變化對比曲線圖

(1)在外包混凝土澆筑過程中，四個工況鋼管混凝土各控制截面應力變化均比較均勻，無突變情況；第一環和第二環混凝土應力提升較快，后期應力發展平緩。這是因為早期澆筑的外包混凝土與骨架形成整體，與骨架共同受力，提高了骨架的剛度。

(2)鋼管混凝土應力分析結果顯示，四個工況外包混凝土澆筑過程中各控制截面均無拉應力，且都出現在拱腳截面，工況一鋼管混凝土最大壓應力為16 MPa；工況二鋼管混凝土壓應力最大為20 MPa；工況三鋼管混凝土壓應力最大為23.9 MPa；工況四鋼管壓應力最大為26 MPa。四個工況鋼管混凝土最大壓應力都未超過C80抗壓強度設計值35.9 MPa。

上述計算結果表明：通過設置斜拉扣索能避免勁性骨架外包混凝土澆筑過程拱腳鋼管混凝土產生拉應力，且能保證鋼管混凝土壓應力小于設計抗壓強度。工況一鋼管混凝土壓應力小于其他三種工況鋼管混凝土應力，從鋼管混凝土受力角度考慮，采用工況一進行外包混凝土澆筑優于其余三種工況。

3.3 勁性骨架外包混凝土受力

勁性骨架外包混凝土澆筑過程中，外包混凝土的受力是工程師容易忽略的地方，在澆筑外包混凝土未形成箱型截面之前，整個拱圈剛度較小，外包混凝土易出現較大拉應力，圖10、圖11展示了四個工況每環澆筑過程中上、下腹板拱腳截面、1/4L截面、拱頂截面等截面的應力變化情況。

由圖10、圖11可知：

圖10 下腹板控制截面應力變化對比曲線圖

圖11 上腹板控制截面應力變化曲線圖

(1)外包混凝土在澆筑過程中，上下腹板混凝土會出現拉應力，其中工況一和工況二拱腳部位分別會產生3.03 MPa和3.14 MPa的拉應力，超過C50抗拉強度設計值1.89 MPa；工況四在拱腳截面分別會產生1.56 MPa的拉應力，這是由于外包混凝土澆筑過程中拱腳部位會產生較大負彎矩。

(2)外包混凝土在澆筑過程中，上下腹板混凝土的壓應力較小，不超過5 MPa，說明外包混凝土施工過程中荷載主要由鋼管混凝土骨架承擔。

上述計算結果表明：通過控制斜拉扣索能有效控制外包混凝土施工過程拱腳截面外包混凝土的拉應力，保證施工質量。工況一和工況二施工過程拱腳截面外包混凝土產生拉應力超過C50混凝土抗拉強度設計值，綜合對比，從外包混凝土受力角度分析，工況三優于其余三個工況。

通過對四種工況的外包混凝土施工過程進行分析對比可知：設置斜拉扣索能有效改善施工過程中鋼管、鋼管混凝土、外包混凝土的受力，工況三在施工過程中的鋼管、鋼管混凝土、外包混凝土受力均滿足結構應力設計要求，優于其余三種工況。

4 結語

通過模擬分析某勁性骨架拱橋主拱圈外包混凝土施工過程，分析對比了四種工況下控制截面的鋼管應力、鋼管混凝土應力、上下腹板應力，得到以下結論：

(1)設置斜拉扣索對外包混凝土澆筑過程中鋼管的應力控制效果良好，工況二鋼管最大壓應力為262 MPa，小于鋼管屈服強度355 MPa。

(2)勁性骨架外包混凝土澆筑過程中，通過設置斜拉扣索能避免拱腳截面鋼管混凝土因負彎矩產生的拉應力，且能有效控制鋼管混凝土最大壓應力，工況四鋼管混凝土最大壓應力為26 MPa，小于C80混凝土抗壓強度設計值35.9 MPa。

(3)勁性骨架外包混凝土澆筑過程中，通過調整斜拉扣索能有效控制外包混凝土的拉應力，其中工況一、工況二、工況四外包混凝土會產生的拉應力超過設計值，不利于外包混凝土的施工質量控制，綜合對比選用工況三最合適。