雙肢啞鈴形鋼管混凝土灌注方案比較

張振宇

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用已經(jīng)有一百多年的歷史。早在1897年,英國的(Severn)鐵路橋建設(shè)中就采用了鋼管橋墩,當時在管中灌注混凝土主要用來防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。在20世紀30年代末期,前蘇聯(lián)用鋼管混凝土建造了跨度101 m的公路拱橋和跨度140 m的鐵路拱橋。

我國從1959年開始研究鋼管混凝土的基本性能和應(yīng)用,之后鋼管混凝土技術(shù)逐漸在建筑、冶金、造船等部門的廠房和構(gòu)架中得到應(yīng)用。進入20世紀80年代,鋼管混凝土在橋梁工程中開始得到研究和應(yīng)用,1991年5月建成國內(nèi)第一座鋼管混凝土拱橋。

鋼管混凝土是在薄壁圓形鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的一種復(fù)合材料,它一方面借助內(nèi)填充混凝土增強鋼管壁的穩(wěn)定性,同時又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而使其具有更高的抗壓強度和抗變形能力。

澆筑鋼管內(nèi)混凝土?xí)r,混凝土作為外荷載作用在鋼管拱肋上,因此仍由鋼管拱肋承受,應(yīng)按鋼結(jié)構(gòu)計算。以后隨著混凝土的凝固和強度的提高,混凝土開始與鋼管一起參與受力。后期拱上建筑、橋面系恒載和活載均由鋼管混凝土組合截面承擔。因此,雙肢啞鈴形鋼管中的三部分混凝土理論上就有三種灌注方式：1)一次泵送方式(下弦管、上弦管、腹腔混凝土一次泵送完成);2)兩次泵送方式(首先灌注下弦管混凝土,待下弦管混凝土強度達到80%以上,之后連續(xù)灌注上弦管和腹腔混凝土);3)三次泵送方式(下弦管、上弦管和腹腔混凝土分三次灌注完成)(見圖1)。

1 雙肢啞鈴形鋼管混凝土灌注方案比較

1.1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋是主跨112 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋,雙向四車道,拱肋截面為雙肢啞鈴形,拱肋鋼管材料采用Q345鋼,鋼管內(nèi)灌C55混凝土,系桿采用C50混凝土箱形截面,矢跨比1/5,為在建橋梁。大橋斷桿分析采用有限元分析軟件橋梁博士進行模擬,有限元模型如圖2所示。

拱橋吊桿由左至右為1號～12號吊桿。張拉次序：2號,11號→4號,9號→6號,7號→5號,8號→3號,10號→1號,12號。三種灌注方案下,吊桿張拉次序與張拉力一致,拱橋拱肋靜力響應(yīng)主要體現(xiàn)在應(yīng)力變化和位移變化。

1.2 三種灌注方案拱肋應(yīng)力變化

三種灌注方案拱肋鋼管應(yīng)力變化見表1～表4。

表1 三種灌注方案拱頂上緣應(yīng)力表 MPa

表2 三種灌注方案拱頂下緣應(yīng)力表 MPa

表3 三種灌注方案拱腳上緣應(yīng)力表 MPa

表4 三種灌注方案拱腳下緣應(yīng)力表 MPa

第一次灌注混凝土后,不待混凝土強度達到80%以上,立刻進行后續(xù)施工?；炷劣捎谠缙趶姸任催_到設(shè)計要求,故混凝土自重荷載全部由鋼管承擔,導(dǎo)致拱肋鋼管應(yīng)力過大,尤其是鋼管下緣應(yīng)力,與其他澆筑方式相比,超出很多。而第一次灌注混凝土,嚴格保證混凝土強度達到80%,后續(xù)上弦管混凝土和腹腔混凝土是分批次灌注或者是一次性灌注,對拱肋鋼管線形影響很小,其中兩次灌注比三次灌注應(yīng)力只略大1 MPa左右。

1.3 三種灌注方案拱肋位移變化

三種灌注方案拱肋位移變化見表5～表7。

表5 一次灌注方案拱頂位移影響 cm

表6 兩次灌注方案拱頂位移影響 cm

表7 三次灌注方案拱頂位移影響 cm

第一次灌注混凝土后,不待混凝土強度達到80%以上,立刻進行后續(xù)施工?；炷劣捎谠缙趶姸任催_到設(shè)計要求,故混凝土自重荷載全部由鋼管承擔,導(dǎo)致拱肋變形過大。而第一次灌注混凝土,嚴格保證混凝土強度達到80%,后續(xù)上弦管混凝土和腹腔混凝土是分批次灌注或者是一次性灌注,對拱肋鋼管線形影響很小。

1.4 灌注方案比較

基于以上計算分析可知,雙肢啞鈴形鋼管混凝土拱橋下弦管灌注完成后,不待混凝土強度達到80%以上,立刻進行后續(xù)混凝土灌注施工,對拱肋的應(yīng)力和位移有較大的不利影響。

因此,在施工的過程中,應(yīng)當注意施工順序,嚴格保證下弦管灌注完成后混凝土的強度達到設(shè)計要求。上弦管和腹腔混凝土灌注過程,適當?shù)臅r候可以緊湊施工。

2 結(jié)語

基于大橋斷桿受力性能的研究,可以得到以下結(jié)論：1)禁止采用一次灌注的方式,需嚴格保證下弦管混凝土強度達到80%以上才能進行后續(xù)工況的混凝土灌注。2)采用三次灌注的方式,可以有效減小施工過程及成橋后拱肋豎向位移和拱肋各截面的正應(yīng)力。3)如果工期比較緊張,可以考慮在下弦管混凝土達到設(shè)計強度80%之后,對上弦管混凝土和腹腔混凝土進行連續(xù)灌注。

[1]顧安邦,范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,1999.

[2]尹浩輝,吳濱生.丫髻沙大橋主拱拱肋鋼管混凝土的灌注與線形控制[J].橋梁建設(shè),2000(4)：68-70.

[3]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]何賡馀,陳 歡.剛性吊桿的系桿拱橋側(cè)傾失穩(wěn)近似計算方法[J].山西建筑,2009,35(5)：326-327.