鋼管混凝土拱橋拱座混凝土破裂原因分析

陳 賀 功

(上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 200000)

?

鋼管混凝土拱橋拱座混凝土破裂原因分析

陳 賀 功

(上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 200000)

結(jié)合某鐵路雙線鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)形式與施工過程，分析了澆筑中管過程中拱座混凝土破裂的原因，并采用有限元分析軟件，探討了結(jié)構(gòu)的受力特性，提出了拱座破裂事故的處理方案。

拱橋，拱座，混凝土開裂，有限元分析

0 引言

鋼管混凝土拱橋[1]是我國近年來橋梁建筑發(fā)展的新技術(shù)，系桿拱橋結(jié)構(gòu)簡潔，自重輕，外部受力明確，抗變形能力強(qiáng)，承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，能夠適用于各種地質(zhì)狀況的要求，同時(shí)其用料省、養(yǎng)護(hù)工作量少，是大跨度拱橋的一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。因此國內(nèi)系桿拱橋的建設(shè)得到突飛猛進(jìn)的開展[2]，近幾年來，我們建成的鋼管混凝土拱橋據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已達(dá)到100余座，在對系桿拱橋設(shè)計(jì)以及施工上總結(jié)了很多成功的經(jīng)驗(yàn)。但是系桿拱橋局部受力分析的理論研究比較少。近年來有些系桿拱橋在灌注腹腔后造成拱座混凝土破損，造成了較大的損失。本文從分析結(jié)構(gòu)方面，對該鋼管混凝土拱橋拱座混凝土開裂破損原因進(jìn)行了有限元分析。

1 結(jié)構(gòu)形式、施工過程及事故回顧

1.1 結(jié)構(gòu)形式

某鐵路雙線系桿拱橋跨越青弋江，橋梁主橋跨度為2×88 m。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，鐵路等級為Ⅰ級。

拱肋為啞鈴型鋼骨混凝土截面，拱肋矢高為22 m，矢跨比為1/4。啞鈴型截面高度為3.0 m，上下管為直徑為1.0 m的圓鋼管，管壁厚度為20 mm，每根拱肋兩個(gè)鋼管之間用厚度20 mm的腹板連接。拱軸采用二次拋物線，兩拱肋中心間距為13 m，兩拱肋中間設(shè)置五道橫撐，拱頂采用X型橫撐，兩拱腳間設(shè)4道K撐。橋梁布置圖如圖1所示。

拱肋橫斷面圖如圖2所示。

1.2 施工過程

該橋采用先梁后拱的施工過程。系梁采用滿堂支架的施工方法，按一定間隔、密布搭設(shè)，在跨青弋江的通航范圍內(nèi)采用軍用梁搭設(shè)支架施工。在支架上澆筑橋體混凝土，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆除模板及支架。該橋在系梁上安裝臨時(shí)支架焊接拱肋。在拱肋焊接安裝完成后澆筑拱肋混凝土，其澆筑順序?yàn)椋合鹿芑炷痢瞎芑炷痢泄芑炷痢?/p>

1.3 事故回顧

拱肋安裝完成后不拆除拱肋臨時(shí)支架，澆筑完上下管混凝土后，等到鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再澆筑中管混凝土，在澆筑過程中發(fā)現(xiàn)拱座混凝土(腹板中間位置)發(fā)生破損，破損狀態(tài)為混凝土從拱肋鋼管上剝落，破損產(chǎn)生的剝落面為上下緣與上下鋼管與中管交接處平行，端部與拱腳預(yù)埋鋼管未灌漿段的長度相近。病害照片如圖3所示(黑色部位為破損區(qū)域)。

根據(jù)現(xiàn)場估計(jì)，泵送壓力達(dá)到0.6 MPa。

2 結(jié)構(gòu)受力分析

施工發(fā)生后，作為施工監(jiān)控單位，為了找到產(chǎn)生事故的原因進(jìn)行了結(jié)構(gòu)細(xì)部分析。本次計(jì)算分析采用midas fea 3.3有限元分析軟件進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算假定

1)計(jì)算考慮三維實(shí)體模型計(jì)算，其中鋼管的本構(gòu)關(guān)系采用范米塞斯模型，初始屈服應(yīng)力為345 MPa；混凝土本構(gòu)關(guān)系采用總應(yīng)變裂縫模型，其中混凝土拉應(yīng)力和壓應(yīng)力采用規(guī)范規(guī)定的值；其計(jì)算模型如圖4所示，拱座下部約束采用固結(jié)，鋼管內(nèi)施加法向壓力1.0 MPa，非線性分析計(jì)算采用弧長迭代法計(jì)算，收斂標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點(diǎn)變形0.01 mm，本次計(jì)算分析不考慮鋼管和拱座混凝土間的粘結(jié)滑移。

2)拱肋受力考慮為平面應(yīng)變單元[2]進(jìn)行簡化分析，而且由于上下管已經(jīng)澆筑混凝土，并且可以認(rèn)為拱腳處上下管內(nèi)的混凝土與鋼管可靠的粘結(jié)，處于壓應(yīng)力狀態(tài)，因此假定中管腹板是兩端固結(jié)在上下管上的一個(gè)板。

由于中管腹板主要承受拉應(yīng)力，而且為鋼材，應(yīng)滿足范米塞斯的應(yīng)力屈服準(zhǔn)則，故本次材料的本構(gòu)模型采用范米塞斯關(guān)系。

另外考慮鋼管和外包混凝土的應(yīng)變的協(xié)調(diào)性，即認(rèn)為拱肋鋼管的應(yīng)變和拱腳外包混凝土的應(yīng)變應(yīng)當(dāng)相等。根據(jù)有關(guān)規(guī)范，混凝土的極限拉應(yīng)變?yōu)?.000 1，如果混凝土應(yīng)變超過該值，即認(rèn)為混凝土的受拉開裂最終導(dǎo)致局部混凝土脫落。

3)對實(shí)體計(jì)算模型和平面應(yīng)變單元計(jì)算對比分析。

2.2 計(jì)算結(jié)果整理分析

經(jīng)計(jì)算，在荷載達(dá)到0.597 MPa時(shí)，三維實(shí)體計(jì)算模型達(dá)到最大極限，拱座混凝土失效，結(jié)構(gòu)破壞。其計(jì)算結(jié)果如下：

1)拱肋鋼管范米賽斯應(yīng)力在中管和上管交界區(qū)域達(dá)到150 MPa，但未達(dá)到鋼管的初始屈服應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

2)混凝土單元裂縫開展結(jié)果如圖6所示，部分混凝土單元失效后退出計(jì)算，混凝土單元退出計(jì)算的范圍與施工過程中拱座混凝土破損的范圍相近。

平面應(yīng)變計(jì)算單元模型計(jì)算結(jié)果表明中管腹板在內(nèi)壓達(dá)到0.5 MPa時(shí)，中管腹板與上下管交界處應(yīng)變達(dá)到最大為0.003 26 με，超過混凝土的拉應(yīng)變極限值，如圖7所示。

根據(jù)有限元進(jìn)行的有限元分析計(jì)算結(jié)果可知在拱肋鋼管未達(dá)到屈服時(shí)，拱座混凝土已經(jīng)失效，造成拱座混凝土開裂破損。

3 事故處理[3-5]

經(jīng)過監(jiān)理、監(jiān)控、業(yè)主及施工單位的共同討論，達(dá)成以下處理意見：將破損的混凝土鑿除，檢查拱肋鋼管焊縫是否產(chǎn)生撕裂。1)如果未撕裂，重新焊接拱腳外包混凝土鋼筋，重新立模澆筑混凝土；2)如果焊縫撕裂，切割開裂處鋼管，重新焊接，并且立模澆筑外包混凝土。

4 結(jié)論及建議

通過對該鋼管混凝土拱橋拱座混凝土開裂破損事故分析及討論，提出以下三點(diǎn)看法以及建議：

1)中管內(nèi)泵送壓力達(dá)到0.6 MPa，造成中管的應(yīng)變超過了混凝土的極限拉應(yīng)變，從而造成了拱座混凝土的開裂破損。

2)由于在很低的泵送壓力下就易使拱腳外包混凝土開裂破損，建議拱腳鋼管預(yù)埋段在拱腳混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求拆模后，立即澆筑，保證后續(xù)灌注中管混凝土?xí)r，對于拱腳外包混凝土不至產(chǎn)生較大的影響。

3)鋼管拱肋在拱座混凝土包裹下形成一定的三向壓力，提高了鋼管的承載力。鋼管混凝土拱橋拱座僅考慮鋼管和混凝土的極限應(yīng)變協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)結(jié)果偏于安全。

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].第2版.北京：人民交通出版社,2007：49-51.

[2] 秦 榮.鋼管混凝土拱橋鋼管開裂事故分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2001，34(3):74-77.

[3] 周水興.鋼管混凝土拱橋常見病害成因分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，32(S1)：15-16.

[4] 劉 強(qiáng).拱橋主拱圈加固技術(shù)研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2010.

[5] 趙振銼.橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)[J].廣東交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，2(2)：1-4.

Analysis on skewback concrete cracking causes of steel-tube concrete arch bridge

Chen Hegong

(ShanghaiTongnaConstructionEngineeringQualityTestCo.,Ltd,Shanghai200000,China)

Combining with structural forms and construction process of the railway double-line steel-tube concrete arch bridge,the thesis analyzes skewback concrete cracking causes in casting process,explores structural stress properties by applying finite element analysis software,and finally provides skewback cracking accidence processing scheme.

arch bridge,skewback,concrete cracking,finite element analysis

1009-6825(2016)29-0172-02

2016-08-07

陳賀功(1981- )，男，碩士，工程師

U448.27

A