大跨勁性骨架拱橋外包混凝土澆注方案

張富貴，張永水，董 義，吳世曾

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

近幾年來，鋼管混凝土拱橋建設(shè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，成為我國近年來橋梁建筑發(fā)展的新技術(shù)。它是利用型鋼、鋼管作勁性骨架，然后在其基礎(chǔ)上搭模板分段分層澆筑混凝土，最后形成勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。這種橋型充分發(fā)揮了各自材料的特長，克服了大跨拱橋的施工困難，跨越能力很大［1－2］。

1 工程概況

昭化嘉陵江大橋為上承式勁性骨架施工的鋼筋混凝土箱形拱橋，主橋長364 m。主拱采用等截面懸鏈線無鉸拱。鋼管外包C55混凝土，拱圈采用兩拱肋，兩肋間以橫聯(lián)連接，每拱肋為單箱雙室截面，橫向采用等寬8 m，縱向采用外形等高5.8 m，標準段頂、底板厚0.4 m，腹板厚0.3 m。拱圈拱腳至第2根拱上立柱間為漸變段，頂、底板混凝土厚度由0.8 m線性變化至 0.4 m，邊腹板厚度由 0.55 m 線性變化至0.3 m，中腹板厚度保持不變。

勁性骨架為型鋼與鋼管混凝土組成的桁架結(jié)構(gòu)，每肋上、下各3根φ457×14 mm、內(nèi)灌注C80混凝土的鋼管混凝土弦桿。弦桿通過橫聯(lián)角鋼和豎向角鋼連接而構(gòu)成型鋼－鋼管混凝土桁架，在拱肋橫聯(lián)對應位置設(shè)交叉撐，加強橫向連接。腹桿及平聯(lián)與弦桿均采用焊接連接。

拱圈澆注:待勁性骨架弦管內(nèi)混凝土全部達到設(shè)計強度后，方可澆注拱圈混凝土。拱圈混凝土的澆注采用“先底板，再腹板，最后頂板”的澆注方式，即先按上、下游對稱且兩岸對稱方式分多工作面澆注底板直至合龍，然后再按照同樣的方式澆注腹板、頂板。主橋橋型布置如圖1。

2 外包混凝土澆注方案

澆注方案考慮豎向分3環(huán)，縱向分不同的段，按照不同的工作面和工作段進行比較。方案1縱向分8段，底板、腹板分8個工作面10個工作段兩拱肋對稱澆注，頂板分4個工作面10個工作段兩拱肋對稱澆注;方案2縱向分16段，底板、腹板分16個工作面5個工作段兩拱肋對稱澆注，頂板分8個工作面5個工作段兩拱肋對稱澆注。主拱圈外包混凝土澆注示意如圖2，外包混凝土澆注方案見表1。圖2中鋼管編號依次為下弦管1#(中)、3#(內(nèi))、4#(外)，上弦管2#(中)、5#(內(nèi))、6#(外)。

3 模型建立

根據(jù)鋼管混凝土拱肋的材料特性并結(jié)合本橋的實際情況，不考慮鋼管與管內(nèi)混凝土的聯(lián)合作用，按照雙單元法來計算［3］。

圖1 主橋立面(單位:m)Fig.1 Main bridge elevation

圖2 主拱圈外包混凝土澆注示意Fig.2 Schematic diagram of the main cast concrete arch outsourcing

表1 外包混凝土澆注方案Table 1 Outsourcing concrete pouring scheme

本橋拱肋外包混凝土施工計算采用Midas Civil 2010建立拱箱的梁－板組合有限元模型，主拱圈按實際構(gòu)造離散為1 209個結(jié)點、7 796個單元，其中鋼管混凝土勁性骨架為4 974個梁單元、拱箱混凝土為2 802個板單元。鋼骨架各桿件之間采用剛結(jié)點連接，骨架和板單元之間采用虛擬剛性梁的剛臂方式處理，對拱腳結(jié)點采用固結(jié)約束，如圖3。

圖3 主拱圈Midas Civil模型Fig.3 Midas Civil model of main arch

4 不同澆注方案的受力狀態(tài)分析

考慮到勁性骨架在外包施工過程中，外包混凝土后的鋼管混凝土受其周圍混凝土的約束力而共同受力，會發(fā)生應力重分布，認為鋼管混凝土的最不利狀態(tài)發(fā)生在其未外包混凝土時［4］。因此鋼管混凝土勁性骨架下弦桿最不利狀態(tài)發(fā)生在澆注底板混凝土時，上弦桿最不利狀態(tài)發(fā)生在澆注頂板混凝土時。

4.1 最不利狀態(tài)下勁性骨架受力狀態(tài)分析

4.1.1 方案 1

下弦桿最不利狀態(tài)發(fā)生在底板 B、C、D段中B10、C10、D10節(jié)段混凝土的澆注施工時，上弦桿最不利狀態(tài)發(fā)生在頂板B、D段中B9、B10、D9、D10節(jié)段混凝土的澆注施工時。

4.1.2 方案 2

下弦桿最不利狀態(tài)發(fā)生在底板 B'、C'、D'、E'、F'、G'、H'段中 B5'、C5'、D5'、E5'、F5'、G5'、H5'節(jié)段混凝土的澆注施工時，上弦桿最不利狀態(tài)發(fā)生在頂板 B'、D'、F'、H'段中 B5'、D5'、F5'、H5'節(jié)段混凝土的澆注施工時。

圖4為底板合龍時，上、下弦桿鋼管應力圖。

圖4 底板合龍鋼管應力Fig.4 Diagram stress of steel of base plate closure

底板合龍時，下弦鋼管應力方案1與方案2相比最大值相差不大，但是方案2的鋼管應力曲線的波動性變化比較大;上弦鋼管應力最大值方案2比方案1大17 MPa，而且方案2的鋼管應力整體比方案1大，這是因為方案2分段澆筑的混凝土數(shù)量比方案1大。

圖5為腹板合龍時，上、下弦桿鋼管應力圖。

圖5 腹板合龍鋼管應力Fig.5 Diagram stress of steel of webs closure

腹板合龍時，下弦鋼管應力方案1與方案2相比最大值仍相差不大，方案2的鋼管應力曲線的波動性沒有明顯變化，這是由于分段數(shù)量的不同造成的;上弦鋼管應力方案2比方案1略大，但只是在拱腳區(qū)域有所差別，其他區(qū)域差別不大。

圖6為頂板合龍時，上、下弦桿鋼管應力圖。

圖6 頂板合龍鋼管應力Fig.6 Diagram stress of steel of roof closure

頂板合龍時，下弦鋼管應力方案1與方案2相比最大值仍相差不大;方案1與方案2相比上弦鋼管應力有了明顯變化，方案1鋼管應力比方案2要小一些，特別是在拱腳處要小許多，方案1管內(nèi)混凝土應力曲線更平滑些，數(shù)值波動不大，這是由于頂板板混凝土參與受力對上弦桿應力產(chǎn)生了重新分配。

頂板合龍時，管內(nèi)C80混凝土的應力達到最大值，方案1上弦桿內(nèi)混凝土壓應力最大值為25.2 MPa，方案2為26.1 MPa，兩者相差不大;方案1下弦桿內(nèi)混凝土壓應力最大值為27.5 MPa，方案2為29.2 MPa，比方案 1 的要大 1.7 MPa。管內(nèi)混凝土應力滿足結(jié)構(gòu)的受力要求［5］。

成拱后，從拱腳到3/8截面處，方案1和方案2撓度變化基本一致，但是從3/8截面到拱頂截面處方案2下?lián)现当确桨?要大，在拱頂處兩者相差約5 cm(圖7)。

圖7 成拱后拱圈下?lián)螰ig.7 Deflection diagram of the arch ring after arched

4.2 不同澆注方案對勁性骨架穩(wěn)定的影響

勁性骨架拱橋施工成敗的關(guān)鍵是施工過程中的穩(wěn)定性問題，因此還必須對其進行穩(wěn)定性計算［6－8］。表2列舉出了拱圈外包澆注每一段時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)，以反映整個拱圈外包澆注過程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表2 外包澆注各施工階段線彈性穩(wěn)定性Table 2 Outsourcing pouring elastic stability of the construction phase

從表2中可以看出，方案1在底板的澆注過程中結(jié)構(gòu)處于最不利穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)較小，但在合龍時達到較大1值。但方案2在底板、腹板的澆注過程中結(jié)構(gòu)始終處于最不利穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)都比較小，合龍時達到較大值。這是由于方案2澆注的混凝土數(shù)量要大許多;腹板、頂板澆注施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)表現(xiàn)為先逐步增大、再減小、最后在逐步增大的變化趨勢，且都在合龍時達到階段最大值。底板、腹板和頂板合龍后方案1與方案2的穩(wěn)定系數(shù)相差不大。因此從穩(wěn)定性的角度來說方案1要比方案2要好，更利于施工時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過對勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土的不同澆注方案進行比較分析，還從穩(wěn)定方面對外包澆注過程中結(jié)構(gòu)的安全性給出評價，得出如下結(jié)論:

1)拱圈外包混凝土澆注中方案1與方案2相比，受力方面兩者對骨架的應力水平有影響，方案1的應力曲線比方案2相對平滑些，在底板合龍時方案1的上弦桿壓應力最大值明顯比方案2要小，而且采取方案1可以明顯降低成拱后拱圈的下?lián)现怠?/p>

2)穩(wěn)定性方面:無論是采用方案1和方案2，拱圈外包澆注的過程中，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)均大于4，采取方案1的澆注方式，僅在澆注底板的過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較低，而采取方案2，不僅是在澆注底板的過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較低，而且在澆注腹板的過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍然較低。

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