超大跨徑鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注過程調載分析

謝松李　覃祚杰　劉耀鳳

摘要：為改善超大跨徑鋼管混凝土拱橋混凝土灌注期間拱肋位移、線形及應力的影響，文章以平南三橋為工程背景，基于“位移最優，應力最佳”原則計算調載索力值，通過Midas Civil有限元軟件建立拱肋模型，展開鋼管混凝土灌注過程中拱肋位移、線形及應力分析。結果表明：混凝土灌注過程進行調載，可有效控制拱頂上撓值；拱肋軸線受混凝土灌注過程調載的影響較大，上游側拱肋軸線偏差值減少40.12%，下游側拱肋軸線偏差值減少46.67%；管內混凝土灌注過程不調載，管內混凝土的最大拉應力為1.85 MPa，灌注過程調載的管內混凝土最大拉應力為0.44 MPa，降低了76.22%，有效控制了管內混凝土的拉應力，避免混凝土發生拉裂破壞，保證結構受力合理及施工的安全。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；拱肋；混凝土灌注；調載；變形；應力

0引言

鋼管混凝土拱橋以其承載能力強、剛度大、適用性強等優勢被廣泛應用于深山峽谷等險峻地區。鋼管混凝土灌注過程的優劣影響著鋼管與混凝土協同工作的能力、結構施工的穩定性、拱橋承載力等。鋼管混凝土灌注施工作為大跨徑鋼管混凝土拱橋的關鍵工藝之一，仍是目前國內外學者研究鋼管混凝土施工的重點。王紅偉等［1］基于穩定性理論，建立了主桁架結構的有限元模型，對大跨徑鋼管混凝土灌注過程中主拱肋的線形、應力和穩定性進行研究，結果表明：混凝土灌注過程中主拱肋跨中截面的偏位較大，結構穩定性逐漸降低。Zhao等［2］基于拱肋撓度影響線理論研究了控制拱肋撓度對結構使用壽命的影響。余強［3］以香火巖特大橋為依托，通過ANSYS軟件建立拱肋計算模型，研究分析該橋管內混凝土灌注過程的拉應力變化狀態，并基于拉應力變化狀態提出調整方案。李長勝［4］以南盤江大橋和天峨龍灘特大橋為工程背景，基于實測數據建立有限元模型驗證了扣索調載理論和扣索調載方案。關敬文等［5］通過有限元模型研究了鋼管混凝土拱肋的應力變化及位移，當拱頂上撓達到60 mm時，需要對灌注過程進行調載以降低拱頂上撓量，但并未研究調載后對拱肋的影響。

平南三橋建成以后將超越波司登大橋成為世界上跨徑最大的鋼管混凝土拱橋。本文基于Midas Civil有限元軟件，根據拱肋不同鋼管施工階段的劃分，建立拱肋模型，研究該橋拱肋混凝土灌注過程中不調載和調載拱肋結構的位移、線形及應力變化狀態，為其他超大跨徑鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注施工提供借鑒經驗。

1 工程概況

平南三橋是主跨為575 m的中承式鋼管混凝土拱橋，計算跨徑為560 m，矢跨比為1/4，拱軸線采用倒懸鏈線，懸鏈線系數為1.5。拱頂截面徑向高為8.5 m，拱腳截面徑向高為17.0 m，肋寬為4.2 m。每根拱肋上、下各安裝兩根1 400 mm的鋼管混凝土弦管，管內混凝土采用C70。主拱肋通過橫聯鋼管850 mm和豎向兩根腹桿700 mm鋼管連接主管而構成矩形截面，主管采用Q420qD鋼材，總體布置如圖1所示。拱腳下弦段為了提高防撞和防腐能力，外包C30鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量為40 kg/m3。

2 施工階段劃分

拱肋混凝土采用C70高性能混凝土以泵壓法自拱腳向拱頂灌注。如圖2所示，灌注順序為：上游內側下弦管（1號管）→下游內側下弦管（2號管）→下游內側上弦管（3號管）→上游內側上弦管（4號管）→上游外側下弦管（5號管）→下游外側下弦管（6號管）→下游外側上弦管（7號管）→上游外側上弦管（8號管）。單管分四級泵送；泵送過程采用抽真空輔助工藝。管內混凝土灌注過程中，在5段位置進行調載。

平南三橋鋼管拱肋單側半跨拱肋劃分為11個節段，全橋共劃分為44個吊裝節段。為了便于有限元模型加載模擬，根據實際的灌注順序將單根拱肋簡化為9個兩岸連續且對稱的施工工況，全橋共計72個施工工況。模擬計算分兩個方案進行，分別為不考慮混凝土灌注過程調載和考慮混凝土灌注過程調載，二者的施工工況劃分相同，如表1所示。

3 數值模型的建立

3.1 材料參數、截面參數和單元類型

通過Midas Civil軟件建立主橋主弦管模型，計算分析管內混凝土灌注過程對主弦管位移、線形及應力的影響。鋼材自重按78.5 kN/m3計算，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3；C70高性能混凝土自重取25.49 kN/m3計算，彈性模量為37 GPa，泊松比為0.2。采用梁單元模擬拱肋；桁架單元模擬調載索。調載索是此次模擬的重點，通過改變調載索的施加力值影響拱肋的受力狀態，進而對比不調載和調載后拱肋的位移、線形及應力狀態。主要單元的類型、材料名稱及截面形狀尺寸如表2所示。

3.2 調載索參數

鋼管混凝土灌注過程中，采用1 860 MPa，15.2 mm高強度低松弛鋼絞線作為調載索材料，彈性模量E=1.95×108 kN/m2。調載索以P型錨具作為錨固端的截面形式，將其設置于拱肋5#節段端頭附近的扣點位置。調載索布置如圖3所示。

為簡化計算模型，需對調載索的彈性模量進行換算以使得模型中的調載索伸長量與拱肋節點處的扣索伸長量一致。伸長量計算如式（1）所示：

Δl=FL/EA（1）

式中：F——索力（kN）；

L——索長度（m）；

E——索的彈性模量（MPa）；

A——索的截面積（mm2）。

由式（1）可知，伸長量與索長度、索力、彈性模量和截面面積有關；當F和A確定后，索長度與彈性模量成正比，通過關系對模型中的扣索彈性模量進行換算。換算結果如表3所示。

本模型以“位移最優，應力最佳”為原則，采用影響矩陣方法計算調載索力值。調載索的調載力值Tt可通過式（2）～（4）確定［6］。

Tt=min（Ttmax）（2）

Ttmax=max（Tcmaxj）（j=1，…，9）（3）

Tcmaxj=（Scmaxj-St）/Ecj（4）

式中：Tt——理想調載索力（kN）；

Ttmax——所用灌注方案的最大調載力（kN）；

Tcmaxj——灌注第j根鋼管的最大調載力（kN）；

Scmaxj——第j根鋼管在施工階段所用灌注方案所引起的拱頂最大上撓量（mm）；

St——拱頂目標上撓量（mm）；

Ecj——灌注第j根鋼管時，單位調載索力對拱頂的位移影響值。

每根主弦管混凝土灌注過程均采用上述調載方法進行調載，因此調載索力相同，具體數值如表4所示。

3.3 計算模型

根據材料參數、截面參數、單元類型及調載索力，并結合施工方案建立有限元模型，模擬分析混凝土灌注過程中的位移及應力變化。全橋有限元模型如圖4所示。

4 結果分析

管內混凝土以泵壓法自拱腳向拱頂頂升灌注，混凝土灌注過程進行不調載和調載模擬分析拱肋的位移、線形及應力變化情況。本橋兩岸均為對稱結構，因此混凝土灌注過程不調載及灌注過程調載僅提取南岸各測點數據進行分析。

4.1 位移分析

4.1.1 上游側拱肋高程偏差分析

混凝土灌注過程不調載上游拱肋各控制點的高程偏差曲線見圖5（a），在施工工況5下，管1、管3、管4及管9南上08～11拱肋段的高程偏差曲線與南上01～07拱肋段呈現反向增長趨勢，其他拱肋段的高程偏差曲線變化趨勢趨于穩定值，變化波動較小。其由于南上08～11拱肋段接近于拱頂，易受混凝土灌注狀態及自重影響所致。如圖5（b）所示，混凝土灌注過程調載，上游拱肋各控制點的線形變化與混凝土灌注過程不調載拱肋各控制點的線形變化差距較小，且最大下撓值發生于南上11拱肋段，其值為481 mm，與混凝土灌注過程不調載拱肋的最大下撓值所發生的位置及數值相同。故由圖5可知，灌注過程調載能有效減少拱肋的上撓值，因此混凝土灌注過程調載對上游側高程偏差的下撓值影響不大，且在一定程度上可以減少拱肋上撓值。

4.1.2 下游側拱肋高程偏差分析

混凝土灌注過程不調載下游拱肋側高程偏差曲線如下頁圖6（a）所示，與上游側拱肋高程偏差曲線線形基本吻合；但其高程偏差波動點發生于管2、管3、管6和管7，與上游側拱肋高程偏差曲線略有不同。究其原因，與鋼管所處位置及水流方向有關，管1、管4、管5及管8位于上游側。而混凝土灌注過程調載的下游側拱肋高程偏差曲線與灌注過程不調載的拱肋高程偏差曲線突變點相吻合，且最高點及最低點基本一致，見下頁圖6（b）。

4.1.3 上游側拱肋軸線偏差分析

如圖7所示，混凝土灌注過程不調載和灌注調載的上游側拱肋軸線偏差值均呈現循環性變化，從施工工況管1-1～管4-9為一個循環，此種現象由主弦管所處的位置所致。如下頁圖7（b）所示，每4根主弦管為一組，與橋軸線相對稱。由于混凝土灌注過程中，拱軸線偏差只往一側偏移，管1和管4的偏差值基本為負值；管2和管3的偏差值基本為正值，且灌注過程不調載的上游側拱肋軸線偏差絕對值最大為167 mm；混凝土灌注過程調載的拱肋軸線偏差絕對值最大為100 mm，減少了40.12%，效果顯著。

4.1.4 下游側拱肋軸線偏差分析

混凝土灌注過程不調載和灌注過程調載的下游側拱肋軸線偏差曲線依舊呈現循環性變化的趨勢。由圖8可知，混凝土灌注過程調載的下游側拱肋軸線偏差曲線變化更為顯著，且變化范圍有所增加。如圖8（a）所示，混凝土灌注過程不調載的下游側拱肋軸線偏差值變化范圍為-137～135 mm，而圖8（b）灌注過程調載的下游側軸線偏差值變化范圍則減少至-85～72 mm。負向絕對值降低37.96%；正向絕對值降低46.67%。由此可見，無論上游側或是下游側拱肋軸線偏差值在混凝土灌注過程調載后均有大幅降低，灌注過程調載可以在一定程度上減弱軸線的變位。

4.2 應力結果分析

拱腳、拱中和拱頂在不同工況下的應力曲線變化趨勢相似，如圖9～11所示。1號管和2號管位于拱肋下側，主要承受壓力，因此兩根管之間會產生最大壓應力，而3號管和4號管則主要承受拉應力。

混凝土灌注過程不進行調載，拱腳、拱中及拱頂的最大壓應力均發生在1號管，分別為7.52 MPa、6.54 MPa及6.35 MPa；混凝土灌注過程調載后1號管拱腳、拱中、拱頂最大壓應力分別為6.49 MPa、6.74 MPa及5.37 MPa。由此可知，混凝土灌注過程調載基本不對拱中壓應力產生影響，但可降低13.70%和17.76%的拱腳和拱頂壓應力。而混凝土灌注過程不調載的管內混凝土最大拉應力發生在3號管拱腳處，為1.85 MPa；灌注過程調載后則降低為0.44 MPa，降低了76.22%。顯然，混凝土灌注過程調載可大幅降低管內混凝土拉應力，滿足規范要求［7］，且利于施工。

5 結語

（1）混凝土灌注過程進行調載，上下游的高程偏差變化差異較小，能有效控制拱頂上撓值，但對拱肋的最終下撓值基本無影響。

（2）拱肋軸線受混凝土灌注過程調載的影響較大，上游側拱肋軸線偏差值減少40.12%，下游側拱肋軸線偏差值減少46.67%，但拱肋的軸線線形無論是混凝土灌注過程不調載或是灌注過程調載均呈現循環性變化。

（3）管內混凝土灌注過程不調載，管內混凝土的最大拉應力為1.85 MPa；混凝土灌注過程調載的管內混凝土最大拉應力為0.44 MPa，降低了76.22%，有效地控制了管內混凝土的拉應力，可避免混凝土發生拉裂破壞。

參考文獻：

［1］王紅偉，謝開仲，郭 曉，等.大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注過程穩定性研究［J］.世界橋梁，2019，47（5）：49-53.

［2］ZHAO Zhan，NIE Zhenhua，MA Hongwei.Damage identification of the arch bridge based on the difference of deflection with moving load［J］.Applied Mechanics ＆ Materials，2014，578（7）：1 096.

［3］余 強，鋼管混凝土拱橋拱肋安裝與管內混凝土灌注應力調整研究［D］.重慶：重慶交通大學，2017.

［4］李長勝.鋼管混凝土勁性骨架拱橋外包混凝土澆注過程扣索調載研究［D］.南寧：廣西大學，2021.

［5］關敬文，王楚杰.中承式鋼管混凝土拱橋拱肋管內混凝土灌注過程分析［J］.西部交通科技，2018（10）：124-129.

［6］潘 棟，鄧年春，涂 兵，等.基于智能主動調載技術的超大跨CFST拱橋灌注順序分析［J］.公路，2020，65（9）：130-137.

［7］TB10092-2017，鐵路橋涵混凝土結構設計規范［S］.

作者簡介：謝松李（1984—），工程師，主要從事道橋工程施工及技術管理工作。