大跨度鋼管混凝土拱橋主拱肋的施工穩(wěn)定性分析

董鸝寧

摘 要：鋼筋混凝土拱橋造型美觀，同時具有良好的跨越能力，在城市橋梁以及公路中有著廣泛的應(yīng)用。作為典型的的自架設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)，大跨度鋼管混凝土拱橋通常采用纜索吊裝的方式進(jìn)行施工，但是大跨度鋼管混凝土的質(zhì)量與剛度在施工過程中一直處在不斷變化的狀態(tài)當(dāng)中，同時施工進(jìn)程當(dāng)中外荷載形成的擾動對橋梁施工穩(wěn)定性也有不利的影響。因此，本文基于大跨度鋼筋混凝土工程，對橋梁施工進(jìn)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時依據(jù)結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)以及特征值確定施工中的不利階段，以期為此類拱橋施工提供有力的借鑒。

關(guān)鍵詞：大跨度；鋼筋混凝土拱橋；施工階段；主拱肋；穩(wěn)定性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.094

0 前言

鋼管混凝土由于具有良好的技術(shù)優(yōu)勢以及力學(xué)性能，在近些年來得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，但是由于鋼管混凝土拱橋在施工過程中的質(zhì)量與剛度一直處在變化當(dāng)中，同時外荷載力也比較復(fù)雜，所以，鋼管混凝土拱橋施工的穩(wěn)定性成為了社會各界廣泛關(guān)注的問題。

1 工程概況

工程采用有推力中承式的鋼管混凝土拱橋構(gòu)造，主橋跨度為242m，拱軸線的懸鏈線為1.5m，矢高比為1/4，拱肋呈桁架結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土，拱肋總高度是m，總寬度為m。圓管的外直徑是，除了第吊裝段以及拱腳埋設(shè)段的壁厚為之外，拱肋的厚度均為。兩個鋼管之間的水平距離為，主橋拱圈采用雙片式拱肋，通過拱上的吊桿與立柱連接拱上的橋面系，行車道板采用縱向“T”梁，橫梁采用預(yù)制大型預(yù)應(yīng)力混凝土梁，縱橫交錯形成連續(xù)的橋梁正交梁格結(jié)構(gòu)。

行車道梁與拱肋相交位置設(shè)置拱上橫梁，供上橫梁主要采用形式為鋼管桁架的材料，主、側(cè)桁架的腹桿與弦桿均采用材質(zhì)為的鋼管，主桁架弦桿尺寸規(guī)格是。上弦桿為壓彎構(gòu)造并且承受支座處局部集中荷載，為解決局部出現(xiàn)的承壓問題以及強化承載能力，在弦桿中填充型號為C50的微膨脹混凝土。下弦桿是拉彎構(gòu)件，不需要填充混凝土。與主桁架上弦桿相連接的拱肋腹桿尺寸是，內(nèi)填微膨脹混凝土。

2 有限元分析

（1）計算方法。根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定[1]，在橋梁施工過程當(dāng)中，需要依據(jù)拱橋的施工方法與特征分析混凝土主拱肋的穩(wěn)定性，主拱肋整體的彈性穩(wěn)定臨界系數(shù)是4.0。本文通過有限元結(jié)構(gòu)分析平臺對橋梁工程的屈曲模態(tài)以及屈曲特征進(jìn)行分析，并結(jié)合材料的非線性以及幾何非線性進(jìn)行考量，分析非線性的上限是穩(wěn)定分析臨界荷載系數(shù)。

（2）有限元模型建立。1）施工階段介紹。采用纜索吊裝進(jìn)行鋼管混凝土施工的過程當(dāng)中，需要結(jié)合施工現(xiàn)場吊纜索機械以及現(xiàn)場起吊的實際狀況劃分主拱肋的吊裝節(jié)段，其主要的施工流程是：施工主墩基礎(chǔ)—施工扣塔以及吊塔—安裝臨時鉸—吊裝拱段—合攏主拱圈—調(diào)整拱圈線形—焊接固定各拱段—扣索拆除—封鉸—鋼筋混凝土下弦拱圈灌注混凝土—灌注實心段混凝土以及拱圈上弦鋼管—安裝吊桿、橫梁、以及拱上立柱—安裝施工橋面板濕接縫以及橋面板—施工橋面系—鋼構(gòu)件防腐。

2）抗風(fēng)纜布置。拱肋在吊裝施工過程當(dāng)中容易受到橫風(fēng)的干擾而導(dǎo)致拱肋在橫向上失去平衡，為了保證拱肋的穩(wěn)定，在施工進(jìn)程中需要在每個吊裝階段上安裝對應(yīng)的風(fēng)纜繩[2]，在每一處拱肋吊裝的拱背的上游與下游安裝直徑為21.5的鋼絲繩，在橋梁中設(shè)置8處抗風(fēng)纜繩錨碇。

3）建立模型。根據(jù)圖紙上的資料信息，通過有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行空間分析計算，橋梁總共存在1886個節(jié)點以及2102個單元，拱肋的一字橫撐、上下弦桿以及K撐均采用梁單元進(jìn)行模擬，風(fēng)纜繩采用桁架單元，管內(nèi)灌注混凝土以及臨時施工荷載，以均布荷載的方式計入計算模型當(dāng)中。（最好給出計算模型圖）

（3）空鋼管節(jié)段吊裝階段穩(wěn)定性分析。拱肋在吊裝施工過程中具有的抗風(fēng)穩(wěn)定性能對于保證結(jié)構(gòu)的安全具有至關(guān)重要的影響作用，因此，對吊裝拱肋過程中受到的橫波影響進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定性分析驗算，在計算過程中同時還結(jié)合風(fēng)纜對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生的作用，作用在拱肋上的橫風(fēng)荷載依照基本的風(fēng)速進(jìn)行計算。依據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》，在施工進(jìn)程當(dāng)中拱肋的穩(wěn)定性臨界荷載系數(shù)不小于4[3].施工進(jìn)程中最大懸臂階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性能較為不利，最小臨界荷載系數(shù)是32，施工進(jìn)程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性符合施工要求。

（4）鋼管混凝土灌注階段穩(wěn)定性分析。1）鋼管混凝土灌注順序。全橋鋼管拱肋主要由8根弦桿構(gòu)成，分別是以及，下弦桿之間采用平聯(lián)板進(jìn)行連接，并通過腹連接的方式連接下弦桿，采用橫撐連接左右側(cè)的主拱肋，在平聯(lián)板以及弦桿之間存在的空腔內(nèi)灌注混凝土，采用泵送的方式灌注弦桿混凝土，通過人工方式灌注平聯(lián)板內(nèi)的混凝土。采用對稱勻速不間斷的方式灌注鋼管混凝土。根據(jù)B2、B3—、B4—、A3—、A4—下平聯(lián)內(nèi)混凝土—上平聯(lián)內(nèi)混凝土的施工順序進(jìn)行灌注。2）穩(wěn)定性分析?；炷凉嘧㈦A段主拱肋的恒載大幅增加，在這個過程當(dāng)中應(yīng)該對主拱肋的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，依據(jù)灌注鋼管混凝土的施工順序，得出在灌注第一對空鋼管管內(nèi)混凝土的過程為最不利拱肋灌注的施工階段，為此開展鋼管灌注混凝土過程中的穩(wěn)定性只需要在這個階段當(dāng)中進(jìn)行，經(jīng)過計算分析得到在灌注第一對管內(nèi)混凝土的過程中拱肋失穩(wěn)模態(tài)是外部失穩(wěn)，拱肋最小臨界荷載系數(shù)是13，符合相關(guān)要求。

3 結(jié)語

本文依托于一座大跨徑的鋼管混凝土拱橋，結(jié)合非線性因素對橋梁施工進(jìn)程中合龍前拱肋吊裝施工過程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性以及合龍之后灌注鋼管混凝土階段的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，通過屈曲模態(tài)結(jié)果以及特征分析結(jié)果得出在施工過程當(dāng)中最大懸臂階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性最不利，最小的臨界荷載系數(shù)是32，大于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時臨界系數(shù)4，橋梁施工進(jìn)程中的抗穩(wěn)定性符合要求，第一對管內(nèi)混凝土在灌注時最為不利，且呈現(xiàn)出失穩(wěn)模態(tài)面外部失穩(wěn)的特征，拱肋承載的最小臨界荷載系數(shù)是13，數(shù)值大于4，因此在灌注混凝土的階段當(dāng)中拱肋的穩(wěn)定性符合要求。

參考文獻(xiàn)：

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