鋼管混凝土系桿拱橋拱肋內混凝土不同澆筑工序差異研究

杜迎東，王起才，張戎令，楊陽，惠兵，鄭建鋒

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵二十一局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

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鋼管混凝土系桿拱橋拱肋內混凝土不同澆筑工序差異研究

杜迎東1，王起才1，張戎令1，楊陽1，惠兵2，鄭建鋒2

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵二十一局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710065)

摘要:鋼管混凝土系桿拱橋在澆筑拱肋內混凝土時，由于各種因素影響，經常出現(xiàn)實際澆筑方案與理論澆筑方案間存在差異的問題。為此，采用三維有限元分析軟件MIDAS/civil模擬鋼管混凝土啞鈴型截面拱肋內混凝土澆筑的7種工序，分別從位移和應力角度對比不同澆筑方案之間的差異，找到拱肋內混凝土的最佳澆筑方案，指出其他6種澆筑方案的不合理性，并量化給出這6種澆筑方案與最佳澆筑方案間位移和應力的差異。研究結果表明：先橫向左、右下弦管同時對稱澆筑、再橫向左、右上弦管同時對稱澆筑是最佳澆筑方案，在混凝土實際澆筑施工中應盡可能采用此種方案。

關鍵詞：鋼管混凝土；系桿拱橋；拱肋混凝土澆筑施工；最佳澆筑方案

鋼管混凝土系桿拱橋以鋼管混凝土特有的力學性能和技術優(yōu)勢，展示出強勁的生命力，近年來得到迅猛發(fā)展[1-3]。啞鈴型截面是其拱肋常見截面[4]，20世紀90年代以來，鋼管混凝土拱橋在我國已經得到廣泛應用，其計算理論和施工問題已取得相當多的研究成果[5]。但在實際施工中，由于場地受限、施工組織不合理等因素，往往不能依照理論要求施工，以致出現(xiàn)許多非對稱施工現(xiàn)象，嚴重威脅著結構施工和運營安全。一些已竣工的大跨度系桿拱橋就存在由于拱肋內混凝土非對稱澆筑施工而造成的結構某些部位內力、位移偏大或整體失穩(wěn)等情況。為此就要加大施工控制的力度，以保證施工過程中每個構件的應力和變形均在允許的誤差范圍內[6-7]。許多學者對拱肋內混凝土澆筑施工做了大量的研究。陳寶春等[4]對澆筑拱肋內混凝土時鋼管拱肋的截面應力進行了分析，考慮了各種澆筑順序和工況；張治成[5]在處理施工荷載時，充分考慮了液態(tài)混凝土的復雜力學性質，提出了分配液態(tài)混凝土自重荷載的新方法，并通過溫度荷載等效模擬混凝土的自膨脹效應及水化熱效應對結構內力的影響；鄭建榮等[8]分析了對稱澆筑及縱橋向澆筑高差0.3，0.5和1 m 3種情況下拱肋豎向變形的變化規(guī)律；何雄君等[9]以主拱組合結構的彎矩余能極小為目標，使成橋拱軸線逼近其恒載壓力線，建立混凝土澆筑優(yōu)化方案理論；杜迎東等[10]模擬了拱肋對稱澆筑(左、右榀拱肋上、下弦管同時澆筑)和非對稱澆筑(先澆筑一榀的上、下弦管)2種情形，分析2種情形中拱肋和系梁在單側澆筑一半、單側澆筑完畢和徐變作用3種工況下相同位置處的位移、彎矩變化規(guī)律，量化指出了非對稱澆筑的弊端。文章基于有限元分析軟件MIDAS，模擬拱肋內混凝土7種澆筑工序，將7種工序結果對比分析，重點分析不同工序位移和內力變化規(guī)律進而找出最優(yōu)澆筑方案，為后續(xù)同類型橋梁的建造提供參考。

1研究背景

某鋼管混凝土系桿拱橋，拱軸線為二次拋物線，矢高26.5 m，計算跨徑128 m，矢跨比f/L=1/5，結構設計形式為剛性系梁剛性拱，采用先梁后拱法施工，拱肋內混凝土澆筑完畢后按設計順序依次張拉吊桿。系梁全長131 m，在滿堂支架上分5段澆筑施工，系梁采用全預應力鋼筋混凝土單箱三室截面，梁高3.0 m，底寬12.04 m，頂寬14.7m。橫向設置兩榀拱肋，上、下弦管中心距2.2 m，拱肋截面高3.5 m，拱肋截面形式為外徑φ=130 cm、壁厚δ=26 mm的鋼管混凝土啞鈴型截面，兩榀間距為11.4 m，其內澆筑C55微膨脹混凝土。全橋共17組吊桿，每組包含同一橫斷面左、右榀拱肋各一對吊桿，每對包含a和b 2根吊桿，全橋共68根吊桿。

2拱橋結構有限元模擬方法

2.1有限元模型建立方法

利用MIDAS/civil _2013有限元分析軟件[11-12]以橫橋向為x軸，縱橋向為y軸，豎橋向為z軸建立整座系桿拱橋三維有限元模型。模型共包含495個節(jié)點，447個單元。系梁、拱肋和橫撐采用梁單元模擬，共379個梁單元，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，共68個桁架單元。建模時將鋼管拱肋的鋼材截面用與之等效的混凝土截面替代(須保證結構在受力和位移方面與原截面等效)。系梁設置4個永久支座和2個臨時支座。4個永久支座在系梁的滿堂支架拆除時全部激活，2個臨時支座從系梁澆筑階段一直持續(xù)存在到最后一根吊桿張拉完畢。2種支座設置具體如下：4個永久支座：約束橫橋向、縱橋向和豎橋向平動自由度x，y和z，釋放轉動自由度Rx；約束縱橋向和豎橋向平動自由度y和z，釋放轉動自由度Rx；約束橫橋向和豎橋向平動自由度x和z，釋放轉動自由度Rx；約束豎橋向自由度z，釋放轉動自由度Rx。

2個臨時支座：固定端只約束橫橋向和縱橋向平動自由度x和y，釋放轉動自由度Rx；活動端只約束縱向平動自由度y，釋放轉動自由度Rx。

吊桿張拉施工采用在吊桿兩端施加體外力的方法模擬。主拱肋采用按鋼管骨架重量均勻分配的原則作用于對應拱腳節(jié)點上；橫向聯(lián)系與主拱肋間采用剛性連接；吊桿與拱肋、系梁間連接的模擬思路為：根據吊桿錨固設計圖預先建立實際錨固連接點，然后與對應的拱肋、系梁節(jié)點采用剛性連接添加剛臂的方法來模擬。主要材料參數(shù)如表1所示。

表1　主要材料參數(shù)

表2　拱肋7種澆筑工序

(a)工序1；(b)工序2；(c)工序3；(d)工序4 ；(e)工序5；(f)工序6；(g)工序7圖1　拱肋7種澆筑工序Fig.1 Kinds of pouring conditions of the arch rib

注：圖1中數(shù)字代表澆筑先后順序

2.2拱肋內混凝土澆筑施工的模擬

有限元模型包含自重、預應力荷載、吊桿索力和二期恒載4種靜力荷載工況，基準工序(工序7)模型包括29個施工階段。工序1包括38個施工階段。其他工序按照圖1所示澆筑順序對基準工序加以改動，根據現(xiàn)場拱肋內混凝土澆筑平均速度，對模型施工階段加以細分，輸入澆筑持續(xù)時間來模擬混凝土澆筑過程，澆筑完成部分的截面為鋼管混凝土施工階段聯(lián)合截面，沒澆筑的部分截面則為普通鋼管截面。系桿拱橋全橋整體模型如圖2所示。

3有限元軟件運行結果分析

研究基于某鋼管混凝土系桿拱橋施工監(jiān)測，依據監(jiān)測方案，系梁L/4和L/2截面?zhèn)鞲衅鞑贾萌鐖D3(a)和3(b)所示，拱肋截面?zhèn)鞲衅鞑贾萌鐖D3(c)所示，實測數(shù)據均為全部吊桿張拉結束之后相應位置的位移和應力實際值。

圖2　系桿拱橋全橋整體模型Fig.2 Whole model of the tied arch bridge

a)系梁L/4截面；(b)系梁L/2截面；(c)拱肋截面圖3　傳感器布置圖Fig.3 Arrangement of the sensor

由于橋梁縱橋向對稱，因此省略3L/4截面的數(shù)據而只列出系梁和拱肋L/4截面和L/2截面數(shù)據；拱肋和系梁位移選擇相應截面頂端進行測量，因此僅列出相應截面A和B位置的數(shù)據?？v向澆筑順序認為對稱澆筑，無澆筑高差。位移使用水準儀測量，應力采集的方法為：使用鋼筋弦式應力傳感器配合三弦測試儀定期進行數(shù)據采集。

從表3和表5中的工序1及表4和表6可以看出，實測值與有限元軟件模型值的偏差較小，系梁L/4 A，拱肋L/4 A，系梁L/2 A和拱肋L/2 A位置處位移模型值與實測值偏差分別為1.3%，-2.7%，-0.7%和0；應力模型值與實測值偏差分別為-1.0%，0，-2.9%和0，說明有限元模型在計算參數(shù)的選取、計算模型的建立方面能與施工實際吻合較好，由此可以驗證有限元模型建模和計算的正確性。

表3　不同工序下拱肋和系梁位移

表4　其他工序與基準工序相應位置位移值對比

表5　不同工序下拱肋和系梁應力

表6　其他工序與基準工序相應位置應力值對比

從表3和表5可以看出，工序2和工序4整體上位移值和應力值比工序3和工序5小，工序7比工序6位移值和應力值要小，工序2，工序4和工序7采用先澆筑下弦管再澆筑上弦管方式，這是因為拱肋鋼管高程相對較大，若先澆筑高程更大的上弦管，會加劇橫橋向的不穩(wěn)定性，帶來位移值和應力值的偏差，對比工序2，工序4，工序3和工序5可以看出澆筑時兩側交叉澆筑比均從一側澆筑的結果更優(yōu)。

從表3，表5，表4和表6可以看出，工序7的拱肋和系梁位移值和應力值最小，是7個工序中最合理的，該工序先同時澆筑左、右下弦管，再同時澆筑左、右上弦管。這種澆筑順工兩側對稱澆筑，可以很好的削弱由于非對稱澆筑(先澆筑一側再澆筑另一側)帶來的弊端，文獻[10]指出，非對稱澆筑時拱肋的位移最大比對稱澆筑的大26.1%，彎矩最大比對稱澆筑的大164.3%；非對稱澆筑時系梁的位移最大比對稱澆筑的大24.3%，彎矩最大比對稱澆筑的大13.4%。

從表4和表6可以看出，系梁L/2 A、拱肋L/2 A位置處其他工序與基準工序的位移偏差較小，其他位置的偏差均在10%左右，系梁L/2 A處其他工序與基準工序應力偏差相比拱肋應力偏差要小，這是由于拱肋和系梁L/2處的吊桿是典型的長吊桿，使用張戎令等[13]提出的考慮轉動慣量和剪切變形耦合的鉸接吊桿索力實用計算公式可以較為精確得計算吊桿索力，精確的吊桿索力可以對不合理澆筑工序的弊端產生一定的改善作用，且其對位移的改善效果比對應力的改善效果明顯。

4結論

1)有限元模型所取的計算參數(shù)及計算模型能與實際橋梁吻合較好，可為后續(xù)相同結構橋梁的建模提供參考。

2)采用先澆筑下弦管再澆筑上弦管的工序可以降低施工中位移值和應力值過大的風險，兩側交叉澆筑相比僅從一側澆筑結果更優(yōu)。先同時澆筑左、右下弦管，再同時澆筑左、右上弦管這種澆筑工序最為合理，這種澆筑工序兩側對稱澆筑，可以有效地削弱非對稱澆筑帶來的弊端。

3)張拉吊桿可對非對稱澆筑的不利影響產生抵消效應。精確的吊桿索力可以對不合理澆筑工序的弊端產生一定有利作用，且期對位移值改善效果比對應力值改善效果明顯。

4)不合理的澆筑工序會增加結構建造過程中的位移和應力過大風險，為了保證結構建造和運營過程中的線形要求及應力安全，鋼管混凝土啞鈴型截面應盡可能按照工序7所示工序進行拱肋內混凝土澆筑施工。

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(編輯蔣學東)

Discuss on different processes of concrete pouring in the arch rib of CFST

DU Yingdong1, WANG Qicai1, ZHANG Rongling1, YANG Yang1, HUI Bing2, ZHENG Jianfeng2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2. China Railway twenty-one Bureau Group Fourth Engineering Co.,Ltd,Xi’an 710065,China)

Abstract：Due to many factors, the differences between actual plan and theoretical plan often existes during the construction of concrete pouring in the tied arch bridge of CFST. The 3D finite element analysis software MIDAS/civil was used to simulate 7 kinds of pouring conditions of concrete in the dumbbell-shaped section of CFST. Comparing the displacement and stress between different pouring plans respectively, we found the best pouring plan of concrete in the arch rib, and pointed out the irrationality of other 6 pouring plans.Thenquantitatively the difference of displacement and stress between the 6 kinds of plans and the best pouring plan was given.The results show that the plan of left and right lower tube symmetrical pouring at the same time and then left and right upper tube symmetrical pouring at the same time is the best pouring plan, This plan should be elected in the actual pouring construction as soon as possible.

Key words：CFST; tied arch bridge; arch rib pouring construction; best pouring plan

中圖分類號：U448.22

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0500-06

通訊作者：王起才(1962-)，男，河北晉州人，教授，從事工程新材料預應力研究；E-mail：1398451253@qq.com

基金項目：長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT1139)；鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2012G011-A)

收稿日期：2015-07-21