勁性骨架在混凝土拱橋中的應(yīng)用和模擬方式研究

米曦亮，栗 勇

（北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京市 100082）

0 引言

拱橋常見的施工方法主要有支架施工法、纜索吊裝施工法、轉(zhuǎn)體施工法和勁性骨架施工法[1]。勁性骨架施工法是以鋼管和型鋼組成空間桁架結(jié)構(gòu),先分段制作成鋼骨架,骨架拼裝合龍成拱后壓注鋼管內(nèi)混凝土,混凝土達到強度后就形成鋼管混凝土勁性骨架,再以其為支架分環(huán)分段澆筑拱肋混凝土，最終形成整個拱圈。

勁性骨架施工方法主要優(yōu)點如下：（1）骨架自重較小，有利于實現(xiàn)大節(jié)段的制作安裝，快速拼接成拱后即可作為所有后續(xù)拱肋施工步序的平臺，實現(xiàn)了無支架或少支架施工；（2）拱圈和拱肋全截面施工以分環(huán)分段的方式來分解，先期澆筑的混凝土達到強度后參與受力，與勁性骨架共同承擔后期混凝土重量，減少骨架的用鋼量和造價；（3）充分利用勁性骨架的壓彎受力特性，在弦桿內(nèi)壓注混凝土，混凝土與骨架鋼管共同作用，骨架的剛度和承載能力都得到了較大提高；（4）勁性骨架不僅作為施工支架，被混凝土包裹后亦可在結(jié)構(gòu)運營階段參與受力，實現(xiàn)了鋼材的充分利用。

因為上述諸多優(yōu)點，鋼管混凝土勁性骨架拱橋成為近些年來大跨徑拱橋常用的結(jié)構(gòu)型式及施工方法之一。420 m跨徑的重慶市萬州長江大橋（1997年建成）、312 m跨徑的邕寧邕江大橋（1998年建成）、140 m跨徑的吊鐘巖大橋（2004年建成，鐵路拱橋）等都是其中的典型代表。

1 工程概況

1.1 主橋總體布置

福建省某新建跨江大橋主橋采用中承式拱橋，斜樁基礎(chǔ)。其計算跨度為180 m，計算矢高45 m，矢跨比為1/4，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為2.0。橋面寬31 m，橫向設(shè)兩片拱肋，拱肋采用混凝土箱型箱形斷面，寬2.5 m，在跨中120 m范圍內(nèi)，拱肋等高為3.0 m；兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)，拱肋沿拱軸線兩側(cè)均勻加寬至6.0 m，見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

1.2 勁性骨架布置

由于河道主槽水量較大，枯水期短，如采用支架現(xiàn)澆施工，需在河道中設(shè)置臨時墩并搭設(shè)拱架，臨時墩受水流浸泡和沖擊的時間長，存在較大的風(fēng)險。同時，臨時墩和拱架高度達到45 m，在其上進行大體量的混凝土澆筑施工，臨時結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性也存在問題。因此，拱肋施工采用先架設(shè)勁性骨架，再分段分層澆注混凝土的方式，避免了長時間大面積設(shè)置臨時支架，施工的安全性更高，對河道阻水也不會有太大影響。

勁性骨架采用鋼管和型鋼組成，總體布置見圖2。

圖2 勁性骨架立面布置圖（單位：cm）

勁性骨架在拱頂、與拱肋實腹段相接的拱腳處斷面見圖3。

上下弦桿為φ450 mm×14 mm厚鋼管，內(nèi)灌C50微膨脹混凝土；腹桿采L100×63×10角鋼，上、下平聯(lián)采用L75×50×8角鋼，腹桿、上、下平聯(lián)、弦桿之間的連接通過厚12 mm連接板實現(xiàn)，所有連接均為焊接，所有鋼構(gòu)件均采用Q345qC鋼制作。

圖3 勁性骨架斷面圖（單位：結(jié)構(gòu)尺寸cm，鋼材參數(shù)mm）

1.3 拱肋施工步序

勁性骨架的安裝及拱肋混凝土的澆注順序?qū)τ诠羌艿膬?nèi)力和變形起著決定性的作用，詳細施工步序如下：

（1）搭設(shè)臨時墩，分段吊裝、拼接勁性骨架，合攏；

（2）拆除臨時墩，自兩端拱腳同時向拱頂壓注上弦桿混凝土；

（3）上弦桿混凝土壓注完7 d后，且強度達到標準強度后壓注下弦桿混凝土；

（4）下弦桿混凝土壓注完7 d后，且強度達到標準強度后開始安裝模板，分段、分層依次澆注底板、腹板、頂板混凝土。

2 勁性骨架模擬方式討論

勁性骨架施工階段模擬計算最大的復(fù)雜性在于：勁性骨架先作為施工支架，再壓注弦桿內(nèi)混凝土，然后逐步被拱肋混凝土包裹,結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型、加載方式及一些基本參數(shù)都在不斷地變化。勁性骨架為常見的桁架結(jié)構(gòu)，可以用常規(guī)的空間梁系模擬，但拱肋混凝土澆注以后，勁性骨架被混凝土包裹,形成“勁性混凝土”或稱“型鋼混凝土”構(gòu)件。這種構(gòu)件在其極限荷載80%之前，兩種材料可以共同工作,協(xié)調(diào)變形[2]。

目前在常規(guī)的勁性骨架施工分析主要有三種模擬方式：（1）將勁性骨架按剛度等效的方法簡化為薄壁箱形截面，后期拱肋混凝土達到強度后轉(zhuǎn)化為受力構(gòu)件，剛度遞增[3]；（2）以空間梁系模擬勁性骨架，用板單元分別模擬底板、腹板和頂板，板單元剛度只計加澆混凝土的剛度，弦桿的剛度不變，兩種單元重疊，共用節(jié)點[4][5][6]；（3）以空間梁系模擬勁性骨架，以實體單元模擬拱肋混凝土，實體單元以共用節(jié)點的方式圍繞弦桿梁單元生成[7]。第一種方式無法得到準確的骨架桿件尤其是平聯(lián)桿內(nèi)力，不能對施工過程的控制形成有效指導(dǎo)，使用較少；第二種方式通過分步激活各部分混凝土板單元，較為真實地模擬施工過程，能夠得到施工階段和使用階段骨架桿件、拱肋混凝土各部分的內(nèi)力，能夠有效地指導(dǎo)設(shè)計和施工，在實際工作中采用較多；第三種方式最為精細準確，但模型相對復(fù)雜，結(jié)果提取也有難度，主要在研究中使用。

上述第二種模擬方式，即梁－板組合模型，存在的問題主要是梁單元和板單元僅在節(jié)點處的位移協(xié)調(diào),節(jié)點之間兩種單元是獨立的，位移并不協(xié)調(diào)[5]。這種方法的精度就取決于節(jié)點的疏密，即單元劃分的大小，而單元的大小通常又與骨架桿件分節(jié)長度一致，大多在2 m左右。按這樣的單元劃分，模擬精度究竟如何，一般文獻中并沒有研究，下文分別按第二、三種模擬方式建立梁－板組合模型和梁－實體組合模型，以梁－實體組合模型結(jié)果對梁－板組合模型的準確性進行驗證。

2.1 模型概況

拱肋混凝土和勁性骨架的實際受力主要表現(xiàn)為壓彎，為真實地模擬其受力特性，取長度22 m、傾角45°的結(jié)構(gòu)節(jié)段進行施工階段計算，結(jié)構(gòu)基本參數(shù)稍作簡化。

結(jié)構(gòu)基本參數(shù)：上下弦桿均為Φ450×14mm鋼管，管內(nèi)已壓注C50微膨脹混凝土。直腹桿和斜腹桿為L100×10 mm截面，平聯(lián)桿、斜聯(lián)桿及內(nèi)聯(lián)桿均為L75×8 mm截面。底板采用C50混凝土，鋼管及型鋼采用Q345qc。

模擬施工階段：階段1，勁性骨架安裝，弦桿內(nèi)混凝土達到強度，參與受力，弦桿端部固結(jié)約束；階段2，底板混凝土澆筑，其自重及模板重量以集中力形式加在骨架節(jié)點上，弦桿端部固結(jié)約束；階段3，底板混凝土達到強度，參與受力，腹板混凝土澆筑，其自重及模板重量以集中力形式加在骨架節(jié)點上，弦桿和底板端部固結(jié)約束。

采用有限元軟件Midas/Civil分別建立梁－板、梁－實體組合模型，見圖4～圖6。

圖4 梁－板組合模型圖

圖5 梁－實體組合模型圖

圖6 梁－實體組合模型局部詳圖

梁－板組合模型說明：

所有鋼結(jié)構(gòu)桿件均采用梁單元模擬，截面、材料特性均按實際輸入。底板混凝土采用板單元模擬，板寬1.7 m（勁性骨架橫向?qū)挾龋?，板厚按實際加澆混凝土的抗彎剛度換算為0.75 m；底板與下弦桿、腹桿僅在分節(jié)處共用節(jié)點，節(jié)間二者獨立。

梁－實體組合模型說明：

上弦桿、腹桿和聯(lián)桿等鋼結(jié)構(gòu)桿件均采用梁單元模擬，下弦桿及底板混凝土采用實體單元模擬，截面、材料特性均按實際輸入；腹桿伸入底板混凝土中，與相接處實體單元節(jié)點以剛性連接形成剛域。

2.2 計算結(jié)果比較

對腹板澆筑階段兩種模型的變形，混凝土及鋼材應(yīng)力進行比較，見表1～表3及圖7。

表1 腹板澆筑階段結(jié)構(gòu)位移對比表（單位：mm）

表2 腹板澆筑階段底板和弦桿應(yīng)力對比表（單位：MPa）

表3 腹板澆筑階段骨架桿件軸向應(yīng)力對比表（單位：MPa）

從上面的結(jié)果可以看出，在考慮施工過程的情況下，兩個模型計算得到的位移基本一致，混凝土底板和骨架桿件應(yīng)力的差值基本在10%以內(nèi)。考慮到勁性骨架的設(shè)計主要由剛度和穩(wěn)定性控制，一般構(gòu)件的應(yīng)力水平不高，因此，可以認為梁－板組合模型的精度足夠，模擬方式可信。

3 結(jié)語

勁性骨架的施工階段模擬計算因其結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷變化而具有一定的復(fù)雜性，較多的工程中采用梁－板組合模型進行分析計算，而對存在的節(jié)間梁、板節(jié)點位移不協(xié)調(diào)問題并未深入探討。本文分別通過建立梁－板組合模型、梁－實體組合模型對骨架節(jié)段的施工階段進行了模擬計算，以公認精度較高的實體計算結(jié)果對梁－板組合模擬方式進行了驗證。

圖7 腹板澆筑階段底板混凝土正應(yīng)力圖（單位：kPa）

[1]顧安邦.橋梁工程（下冊）[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]GBJ17-88,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1988.

[3]劉孝輝,許曉峰,等.云南化皮沖180m鋼管混凝土勁性骨架拱橋設(shè)計[J],公路交通科技,1999(1):7-11.

[4]趙雷,卜一之.鋼管砼勁性骨架I型肋拱橋施工階段結(jié)構(gòu)計算[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報,2000,19(1):11-16.

[5]王星橋,唐黎明.巴東無源洞大橋主拱設(shè)計——勁性骨架在施工階段的結(jié)構(gòu)計算[J].橋梁建設(shè),1998(1):48-51.

[6]賀曉川.勁性骨架混凝土拱橋施工階段仿真分析[D].武漢理工大學(xué)碩士論文,2007.

[7]王業(yè)飛.勁性骨架混凝土拱橋施工穩(wěn)定性分析[J].橋梁建設(shè),2011(3):22-25.