某特大跨勁性骨架拱橋外包混凝土澆筑方案比選研究

曹楊

作者簡介：曹?楊（1992—），工程師，主要從事道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理工作。

為研究勁性骨架拱橋外包混凝土單工作面澆筑和多工作面澆筑對(duì)拱圈力學(xué)行為的影響，文章依托某工程實(shí)例，利用Midas Civil軟件建立大橋外包混凝士澆筑仿真分析模型，對(duì)比分析了方案一“5工作面12工作段”和方案二“4工作面7工作段”兩種施工方案下拱橋外包混凝土的應(yīng)力、鋼管應(yīng)力及拱圈變形情況。研究結(jié)果表明：兩種方案下拱圈外包混凝土應(yīng)力趨于一致，但方案一由于單次加載的混凝土濕重較大，造成鋼骨架鋼管應(yīng)力水平和拱圈變形值均高于方案二。綜合考慮拱橋受力以及現(xiàn)場作業(yè)條件，大橋外包混凝土施工采用方案二。

勁性骨架拱橋；外包混凝土；多工作面；單工作面；力學(xué)行為

U448.22A411463

0?引言

勁性骨架拱橋承載能力強(qiáng)，綜合經(jīng)濟(jì)成本低，同時(shí)以其優(yōu)美的造型和獨(dú)特的傳力形式得到了廣大橋梁工作者的青睞［1］。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，勁性骨架拱橋在山區(qū)得到了大量應(yīng)用。勁性骨架拱橋施工主要是事先利用形成的桁式拱骨架，然后在骨架上懸掛模板澆筑混凝土而成。一般而言，勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土常采用分環(huán)、分段、多工作面施工，不同的澆筑順序?qū)仓^程中混凝土和鋼管應(yīng)力以及拱圈變形影響較大，會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)下的內(nèi)力合理分布。

目前已有相關(guān)學(xué)者對(duì)勁性骨架拱圈外包混凝土施工進(jìn)行了相關(guān)研究，吳海軍等［2］分析了4種不同的分環(huán)澆筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響；馬?？。?］通過一工程實(shí)例對(duì)拱圈橫截面一次性澆筑成型過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析并提出了解決方法；楊國靜等［4］從橫向分環(huán)和縱向分段對(duì)比外包混凝土施工方案，研究拱肋在施工過程中的受力狀態(tài)和控制因素；王小飛［5］根據(jù)一工程實(shí)例分析了不同縱向分段、橫向分環(huán)澆筑方案對(duì)骨架受力及撓度的影響。

然而，以上學(xué)者研究大多基于拱圈外包混凝土多工作面均衡澆筑的角度開展，少有從單工作面澆筑角度考慮，可見對(duì)比兩種施工方法下拱圈的力學(xué)行為具有較好的補(bǔ)充意義。為此，本文依托某一工程實(shí)例，利用Midas Civil軟件對(duì)大橋外包混凝土澆筑過程進(jìn)行分析，建立了方案一“5工作面12工作段”和方案二“4工作面7工作段”兩種方案下的仿真模型，分別從拱圈外包混凝土應(yīng)力、鋼管應(yīng)力、拱圈變形進(jìn)行對(duì)比分析，以確定大橋最優(yōu)澆筑方案，同時(shí)以期為其他同類橋梁提供參考。

1?工程概況

某橋橋址為典型的“V”字型峽谷地帶，地址條件較好，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km，采用等截面懸鏈線無鉸拱設(shè)計(jì)，拱軸系數(shù)為2.1，矢跨比為1/4.2，為一座凈跨徑350 m的上承式勁性骨架混凝土拱橋。主拱由兩條拱肋組成，拱圈外包混凝土采用C55；每條拱肋采用單箱雙室截面，橫橋向?qū)? m，縱向采用外形等高5.8 m；拱圈的標(biāo)準(zhǔn)段截面頂、底板厚度為0.4 m，腹板厚度0.3 m。

鋼骨架采用型鋼-鋼管混凝土勁性骨架，每條拱肋各設(shè)6根主弦管，采用Q390鋼材，其直徑為508 mm，壁厚由14 mm、18 mm、22 mm 3種型號(hào)構(gòu)成。管內(nèi)混凝土采用C120高強(qiáng)度補(bǔ)償收縮自密實(shí)混凝土。另外，在拱肋橫聯(lián)相應(yīng)位置設(shè)交叉撐，加強(qiáng)橫向連接；腹桿及平聯(lián)和弦管均采用焊接進(jìn)行連接。大橋立面布置如圖1所示。

2?拱圈外包混凝土澆筑方案

兩種方案下拱圈外包混凝土豎向均分成兩環(huán)，其中，方案一第一環(huán)分為10個(gè)工作面，每個(gè)工作面分為12個(gè)工作段，第二環(huán)分為10個(gè)工作面，每個(gè)工作面分為4個(gè)工作段，分環(huán)分段示意圖如圖2所示；方案二第一環(huán)分為8個(gè)工作面，每個(gè)工作面分為7個(gè)工作段，第二環(huán)分為8個(gè)工作面，每個(gè)工作面分為4個(gè)工作段，分環(huán)分段示意圖如圖3所示。方案一拱圈外包混凝土澆筑順序如表1所示，方案二拱圈外包混凝土澆筑順序如表2所示。（表中i-j-k表示外包混凝土澆筑第i環(huán)第j工作面第k工作段；表1中序號(hào)表示5個(gè)工作面同時(shí)對(duì)稱澆筑，

3?有限元模型的建立

采用Midas Civil軟件建立外包混凝土施工階段有限元模型，其中勁性骨架腹桿及平聯(lián)和橫撐采用梁單元模擬，鋼管混凝土主弦管采用組合截面模擬，外包混凝土采用組合梁截面模擬。鋼骨架和拱圈外包混凝土之間采用虛擬剛臂保證拱圈變形協(xié)調(diào)，拱腳采用一般支承全固結(jié)約束，其空間有限元模型見圖4。外包混凝土在未達(dá)到強(qiáng)度形成剛度之前，以梁單元荷載的形式作用在鋼骨架主弦管上，等其達(dá)到強(qiáng)度具有一定剛度后，激活相應(yīng)單元并鈍化對(duì)應(yīng)混凝土濕重荷載。

4?計(jì)算結(jié)果分析

4.1?拱圈外包混凝土應(yīng)力

在施工過程中，拱圈外包混凝土具有其濕重大、形成強(qiáng)度時(shí)間長、收縮徐變大等特點(diǎn)，因此需要保證澆筑過程中的施工控制，使混凝土的應(yīng)力始終滿足規(guī)范或設(shè)計(jì)要求范圍。經(jīng)計(jì)算，兩種方案下在一環(huán)和二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)拱圈各關(guān)鍵截面的混凝土壓應(yīng)力變化情況如下頁圖5所示。

由圖5可得，一環(huán)和二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)，方案一中混凝土應(yīng)力從拱腳到拱頂逐漸減小，方案二中混凝土應(yīng)力從拱腳到拱頂先變大后變小，其轉(zhuǎn)變點(diǎn)發(fā)生在L/8～2L/8。這是因?yàn)榉桨敢徊捎枚喙ぷ髅婢鉂仓珮蚴芰?、變形均勻；方案二則采用的是單工作面澆筑，必然會(huì)造成局部應(yīng)力、變形的突變。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)方案一中混凝土最大壓應(yīng)力為6.6 MPa，方案二為4.8 MPa；二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)方案一中混凝土最大壓應(yīng)力為7.7 MPa，方案二為7.9 MPa。兩種方案中一環(huán)澆筑結(jié)束混凝土最大應(yīng)力相差1.8 MPa，但最終澆筑完成時(shí)最大應(yīng)力趨于一致，說明其跟施工方法無關(guān)。另外，在施工過程中應(yīng)該做好施工控制，如果采用單工作面澆筑，需注意L/8～2L/8位置處的混凝土應(yīng)力，保證其應(yīng)力始終處于規(guī)范或設(shè)計(jì)要求內(nèi)。

4.2?鋼管應(yīng)力

勁性骨架拱橋的骨架多采用鋼管混凝土骨架，管內(nèi)灌注高強(qiáng)度混凝土，隨著施工的進(jìn)行，管內(nèi)混凝土的收縮徐變對(duì)鋼管產(chǎn)生附加內(nèi)力，加上拱圈外包混凝土的澆筑，使骨架承受高于自身幾倍的施工荷載。雖然前期已澆筑的混凝土具有強(qiáng)度和剛度后會(huì)和鋼骨架產(chǎn)生聯(lián)合作用，一起承受后續(xù)的外荷載，但未產(chǎn)生聯(lián)合作用的部分鋼管應(yīng)力在不斷進(jìn)行疊加。為了保證鋼管應(yīng)力不過早達(dá)到或接近屈服，因此在拱圈外包混凝土澆筑過程中的鋼管應(yīng)力也是一個(gè)需要注意的控制性指標(biāo)，兩種方案下在一環(huán)和二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)拱圈各關(guān)鍵截面的鋼管應(yīng)力變化情況如圖6所示。

由圖6可得，一環(huán)和二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)，兩種方案中拱圈各關(guān)鍵截面的鋼管應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，但方案一的鋼管應(yīng)力水平基本高于方案二。其中一環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)，方案一的鋼管最大應(yīng)力為187 MPa，發(fā)生在L/8處的下弦管，方案二的鋼管最大應(yīng)力為131 MPa，發(fā)生在4L/8的上弦管；二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)，方案一的鋼管應(yīng)力最大為221 MPa，發(fā)生在L/8處的下弦管，方案二的鋼管最大應(yīng)力為174 MPa，發(fā)生在4L/8的上弦管。可以看出，兩種方案在一環(huán)和二環(huán)澆筑完成時(shí)鋼管最大應(yīng)力發(fā)生的位置一致，但方案一的最大應(yīng)力始終高于方案二最大應(yīng)力50 MPa左右。這是由于方案一采用多工作面均衡澆筑，單次加載的混凝土濕重荷載很大，造成鋼骨架應(yīng)力水平增大，而方案二采用的是單工作面澆筑，單次加載的混凝土濕重小，加上前期已澆筑的混凝土逐漸形成剛度和強(qiáng)度，和鋼骨架產(chǎn)生聯(lián)合作用，共同承擔(dān)后期施工荷載。

4.3?拱圈變形

拱圈外包澆筑過程中，在沒有其他輔助措施調(diào)載的情況下，對(duì)勁性骨架的要求較大，因此要對(duì)骨架進(jìn)行變形分析計(jì)算，保證在施工過程中拱圈不產(chǎn)生較大的豎向變形。兩種方案下在一環(huán)和二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)拱圈變形如圖7所示。

由圖7可得，兩種方案在一環(huán)和二環(huán)澆筑結(jié)束，拱圈的變形走向基本相同，從拱腳向拱頂依次增加，但方案一的變形位移值均高于方案二。其中一環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)，方案一的最大變形值為363 mm，方案二的最大變形值為286 mm，均是發(fā)生在拱頂位置處；二環(huán)澆筑結(jié)束時(shí)，方案一的最大變形值為439 mm，方案二的最大變形值為352 mm。兩種情況下方案一均比方案二大80 mm左右，說明采用方案一對(duì)骨架結(jié)構(gòu)較為不利，因?yàn)檫^大的變形值可能會(huì)導(dǎo)致施工過程中管內(nèi)混凝土拉應(yīng)力超限以及拱圈外包混凝土開裂，出現(xiàn)裂縫，也可能導(dǎo)致最終成橋后其拱軸線與理想壓力線偏離更遠(yuǎn)，對(duì)拱圈受力不利，導(dǎo)致拱腳處混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

5?結(jié)語

本文以某特大勁性骨拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃肕idas Civil軟件建立了大橋外包混凝土施工仿真模型，分別對(duì)比了多工作面和單工作面澆筑方案下拱圈結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，提出結(jié)論如下：

（1）兩種方案下拱圈外包混凝土的最終應(yīng)力趨于一致，說明其與施工方法無關(guān)。另外，如果采用單工作面澆筑時(shí)，需要注意拱圈L/8～2L/8位置處的混凝土應(yīng)力，使其滿足規(guī)范或設(shè)計(jì)要求。

（2）多工作面均衡澆筑，由于單次加載混凝土濕重很大，容易造成鋼管應(yīng)力水平大幅度增加，而單工作面澆筑由于單次加載濕重小以及混凝土和骨架的聯(lián)合作用，其鋼管應(yīng)力水平較低。

（3）多工作面均衡澆筑下，其拱圈的變形值較大，這樣容易導(dǎo)致管內(nèi)混凝土拉應(yīng)力超限以及拱圈外包混凝土開裂，也可能導(dǎo)致最終成橋后其拱軸線與理想壓力線偏離更遠(yuǎn)，對(duì)拱圈受力不利，導(dǎo)致拱腳處混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

另外，綜合考慮現(xiàn)場施工人員、設(shè)備、經(jīng)濟(jì)成本等因素，大橋外包混凝土施工采取方案二“4工作面7工作段”。

［1］陳寶春，何福云，李?聰，等.美蘭法與美蘭拱橋技術(shù)發(fā)展綜述［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2022，22（6）：1-24.

［2］吳海軍，王藐民，陸?萍.勁性骨架混凝土拱橋外包混凝土分環(huán)澆筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（11）：1-6.

［3］馬海俊.大跨度薄壁箱形拱橋橫截面一次性成型技術(shù)探討［J］.鐵道建筑技術(shù)，2018（3）：43-45.

［4］楊國靜，徐?勇，黃?毅.大跨度勁性骨架拱橋外包混凝土方案優(yōu)化［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2017，34（10）：50-54，82.

［5］王小飛.鐵路大跨度勁性骨架拱橋外包混凝土澆筑方案分析［J］.鐵道建筑，2020，60（5）：11-14，29.