鋼管混凝土拱橋拱圈上施工順序影響分析

唐　鵬　宮　賽

(南陽理工學(xué)院，河南南陽　473004)

鋼管混凝土拱橋拱圈上施工順序影響分析

唐鵬宮賽

(南陽理工學(xué)院，河南南陽473004)

摘要:以某啞鈴型鋼管混凝土拱橋為例，采用MIDAS/Civil有限元模型從最大應(yīng)力、最大位移、最小穩(wěn)定系數(shù)三方面，對鋼管拱圈后續(xù)施工三種不同的施工順序進(jìn)行了比較分析，為縮短拱橋施工工期提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:鋼管混凝土，拱橋，應(yīng)力，位移，穩(wěn)定系數(shù)

1　工程背景

該拱橋位于西安臨潼某地，主體結(jié)構(gòu)為上承式鋼管混凝土橋(見圖1)，拱橋拱圈跨徑為132 m，矢跨比為1/6，拱軸系數(shù)為1.32，計算矢高為22 m，該拱橋為上承式鋼管混凝土拱橋，橫橋放有8肢鋼管拱圈，中間由空鋼管橫撐連接拱肋組成，拱肋之間間距為4.5 m(見圖2)。

圖1　拱橋總體布置圖

圖2　鋼管混凝土拱橋拱圈橫截面

2　施工方法假定

由于啞鈴型鋼管綴板澆筑混凝土后對啞鈴型鋼管整體影響不大，不僅能滿足施工及運營安全要求，達(dá)到減少結(jié)構(gòu)自重、加快施工進(jìn)度的目的［1］，此外還能降低工程預(yù)算。因此三種施工方法均采用混凝土只澆筑在上鋼管、下鋼管中，綴板內(nèi)不澆筑混凝土的方式。由于鋼管混凝土拱橋在鋼管主拱圈形成后，其主拱圈的受力變化主要是依據(jù)拱圈上建筑物的施工順序而改變。所以主拱圈上的后續(xù)施工順序?qū)蛄赫w的施工以及成橋后的安全、受力產(chǎn)生重要作用［2］。

以空鋼管拱圈合龍后的施工狀態(tài)為起點，對鋼管拱圈上的后續(xù)施工順序假定三種不同的方法，從鋼管拱圈應(yīng)力的變化、豎向位移變形，以及穩(wěn)定系數(shù)等方面出發(fā)考慮每種施工方法的可行性。在分析時鋼管拱圈每階段的應(yīng)力、位移取值均為此階段的最大值，而穩(wěn)定系數(shù)取值為此階段的最小值［3］。

施工方法一按照以下步驟進(jìn)行:主拱圈合龍、對拱圈上的立柱開始安裝、對鋼箱梁開始架設(shè)、對上鋼管開始澆筑混凝土、上鋼管混凝土達(dá)到強度、對下鋼管開始澆筑混凝土、下鋼管混凝土達(dá)到強度、開始施加二期恒載;

施工方法二的步驟為:主拱圈合龍、從拱腳向跨中方向同時開始安裝拱圈立柱，且只能安裝到拱圈L/4截面處、對上鋼管開始澆筑混凝土、上鋼管混凝土達(dá)到強度、對下鋼管開始澆筑混凝土、下鋼管混凝土達(dá)到強度、對拱圈上的剩余立柱開始安裝、對鋼箱梁開始架設(shè)、開始施加二期恒載;

施工方法三的步驟為:主拱圈合龍、對上鋼管開始澆筑混凝土、上鋼管混凝土達(dá)到強度、對下鋼管開始澆筑混凝土、下鋼管混凝土達(dá)到強度、對拱圈上立柱開始安裝、對鋼箱梁開始架設(shè)、開始施加二期恒載。

2.1施工方法一

在方法一施工順序下，拱圈的最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳處或拱腳變截面處，最大值為－102 MPa，在容許范圍內(nèi);拱圈的最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂和拱圈L/4截面處，施加二期恒載后，變形最大值達(dá)到62.1 mm，但整個施工工程中位移最大值均在容許范圍內(nèi);穩(wěn)定系數(shù)值在施工過程中最小時為17，也能滿足施工要求［4，5］(見圖3～圖5)。

圖3　鋼管拱圈最大應(yīng)力（一）

圖4　鋼管拱圈最大位移（一）

2.2施工方法二

在方法二施工順序下，拱圈的最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳處或拱腳變截面處，最大值為－95 MPa，在容許值范圍內(nèi);拱圈的最大豎向位移基本上都出現(xiàn)在拱頂，施加二期恒載后，最大位移值達(dá)到49.6 mm，但也在容許值范圍內(nèi);穩(wěn)定系數(shù)值在施工過程中最小時為15，也能滿足施工要求(見圖6～圖8)。

2.3施工方法三

圖5　穩(wěn)定系數(shù)（一）

圖6　鋼管拱圈最大應(yīng)力（二）

圖7　鋼管拱圈最大位移（二）

圖8　穩(wěn)定系數(shù)（二）

在方法三施工順序下，拱圈的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在拱腳處，最大值為77.2 MPa，在容許值范圍內(nèi);拱圈的最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂處，施加二期恒載后，拱圈最大位移值達(dá)到57.2 mm，但也在容許值范圍內(nèi);穩(wěn)定系數(shù)值在施工過程中最小時為16.2，也能滿足施工要求(見圖9～圖11)。

圖9　鋼管拱圈最大應(yīng)力（三）

3　對三種施工方法進(jìn)行對比分析

3.1鋼管拱圈最大應(yīng)力對比

圖10　鋼管拱圈最大位移（三）

圖11　穩(wěn)定系數(shù)（三）

從圖12中可以看出，上拱圈在整個施工過程中處于受壓狀態(tài)。三種施工方法下的拱圈應(yīng)力變化走向趨于一致。按照方法三的順序進(jìn)行施工，拱圈承受的應(yīng)力最小，按照方法二的順序施工，拱圈承受的應(yīng)力值介于方法一和方法三之間。

圖12　三種方法鋼管拱圈最大應(yīng)力對比

3.2鋼管拱圈最大位移對比

圖13是按照三種施工方法下鋼管拱圈豎向最大位移對比圖，施工方法二的鋼管拱圈豎向位移基本上都小于方法一和方法三的位移。方法三的鋼管拱圈在前四步豎向位移大于方法一和方法二，方法一的鋼管拱圈在后四步豎向位移均大于方法二和方法三。

圖13　三種方法鋼管拱圈最大位移對比

3.3最小穩(wěn)定系數(shù)對比

圖14是按照三種施工方法下鋼管拱圈最小穩(wěn)定系數(shù)的對比情況，最小穩(wěn)定系數(shù)線性在三種施工方法下出現(xiàn)了不同程度的起伏變化。方法一的最小穩(wěn)定系數(shù)變化幅度小于方法二和方法三，方法三前兩步的穩(wěn)定系數(shù)變化急速且幅度較大，對施工安全有一定的影響。方法二與方法一最小穩(wěn)定系數(shù)線性前兩步變化規(guī)律一樣，后幾步的變化規(guī)律又與方法三一樣［6］。

圖14　三種方法最小穩(wěn)定系數(shù)對比

4　結(jié)語

在鋼管拱圈合龍后，后續(xù)的拱上建筑假定了三種不同的施工方法，基于鋼管拱圈應(yīng)力、鋼管拱圈豎向位移變化、穩(wěn)定系數(shù)等三方面考慮，對于三種施工順序進(jìn)行比較，選取一種較為合理的方法。加之當(dāng)澆筑鋼管內(nèi)的混凝土強度按要求達(dá)到設(shè)計強度的80%以上［6］才能進(jìn)行下一步工序，而混凝土強度在標(biāo)準(zhǔn)條件下能達(dá)到設(shè)計強度的80%，時間約為7 d，此外還應(yīng)計入安裝拱上立柱和鋼箱梁的順序和工期。因此，方法二有較為合理的施工順序，不僅能夠同時滿足橋梁施工、成橋、運營階段的安全和受力要求，還能達(dá)到縮短工期的目的。

參考文獻(xiàn):

［1］唐鵬.啞鈴型鋼管混凝土拱橋綴板內(nèi)填混凝土影響分析［D］.西安:長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

［2］陳寶春.鋼管混凝土拱橋應(yīng)用與研究進(jìn)展［J］.公路，2008 ( 3) :95-97.

［3］陳寶春.鋼管混凝土拱橋［M］.第3版.北京:人民交通出版社，2006.

［4］鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.第3版.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［6］公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，1989.

Analysis on the influence of construction sequence of the arch rib on the concrete filled steel tube arch bridge

Tang Peng Gong Sai
( Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，China)

Abstract:Taking the dumbbell-style concrete-filled steel tubular arch bridge as an example，applying MIDAS/Civil finite element model，starting from aspects of maximum stress，maximum displacement and minimum stability coefficient，the paper comparatively analyzes post construction procedures of three kinds of steel tubular arch ring，which has provided some theoretical basis for shortening arch bridge construction duration.

Key words:concrete-filled steel tubular，arch bridge，stress，displacement，stability coefficient

作者簡介:唐鵬(1987-)，男，碩士，講師;宮賽(1986-)，女，碩士，講師

收稿日期:2015-11-28

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0172-03

中圖分類號:U445

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A