鋼管勁性骨架混凝土拱橋穩(wěn)定性分析

吳杰

(重慶交通大學(xué)，重慶400000)

近年來鋼管混凝土勁性骨架拱橋在中國飛速發(fā)展，它是采用纜索吊裝技術(shù)懸臂拼裝勁性骨架，待得勁性骨架合龍之后，灌注弦管內(nèi)混凝土，再利用鋼管混凝土作為勁性骨架作為施工支架，在其上鋪設(shè)模板布置鋼筋按照施工順序分環(huán)分段澆筑拱圈混凝土，一般先多點均衡澆筑底板混凝土，待得底板混凝土形成剛度之后，在澆筑腹板與頂板，底板與勁性骨架共同承擔(dān)混凝土澆筑時的施工荷載及混凝土濕重荷載，最終形成勁性骨架混凝土拱圈。這種結(jié)構(gòu)合理的利用鋼管和混凝土兩者材料的特性，克服了普通混凝土拱肋自重過大造成的施工困難問題，節(jié)約了采用強大的纜吊系統(tǒng)的費用，并且結(jié)構(gòu)剛度大，跨越能力強，適用于我國地質(zhì)條件較好的峽谷和山谷地區(qū)。隨著鋼管混凝土勁性骨架拱橋跨度的增大,勁性骨架施工方法在實際施工當(dāng)中的運用, 在施工過程中分析勁性骨架的弦管應(yīng)力、混凝土應(yīng)力、主拱線性與穩(wěn)定性,保證勁性骨架可靠工作是工程師們尤為關(guān)注的問題。穩(wěn)定破壞是指結(jié)構(gòu)內(nèi)部的抵抗力與荷載之間發(fā)生了不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形急劇增大發(fā)生破壞，故穩(wěn)定問題屬于結(jié)構(gòu)或某個構(gòu)件的變形問題[1]。

1 穩(wěn)定性分析

1.1 勁性骨架拱橋施工穩(wěn)定性

勁性骨架拱橋在施工過程中,當(dāng)澆筑底板混凝土?xí)r,混凝土濕重荷載全由勁性骨架承擔(dān),此時整個穩(wěn)定性能最差。隨著已澆筑的混凝土具有剛度之后不同程度地參與受力, 其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了提高, 但當(dāng)澆筑頂板混凝土?xí)r荷載全由勁性骨架與形成剛度的底板和腹板混凝土共同承擔(dān),這時的穩(wěn)定性有可能是較差的。對于由分環(huán)分段澆筑形成拱箱的勁性骨架拱橋, 應(yīng)根據(jù)施工過程計算其穩(wěn)定性。

1.2 勁性骨架拱橋施工穩(wěn)定性影響因素

勁性骨架拱橋的失穩(wěn)與一般拱橋的失穩(wěn)略有差距, 勁性骨架和混凝土板的受力是根據(jù)施工工序疊加的, 每次加載的承擔(dān)荷載的結(jié)構(gòu)都不盡相同,導(dǎo)致勁性骨架弦桿和腹桿的應(yīng)力不均勻。很可能在結(jié)構(gòu)整體失去穩(wěn)定性之前, 已發(fā)生局部弦桿失穩(wěn)。所以我們在計算施工過程的穩(wěn)定性時,必須考慮各桿件的受力。跨度很大的勁性骨架結(jié)構(gòu)又相對自重較輕的拱圈在分環(huán)分段澆筑混凝土?xí)r,結(jié)構(gòu)變形對內(nèi)力的影響不能忽略不計,且各次加載所產(chǎn)生的位移也是非線性的,此即幾何非線性，因此我們在理論計算時也需要考慮幾何非線性。勁性骨架拱橋在不同施工階段，在勁性骨架進行懸臂拼裝過程中，難以避免的存在施工誤差，使得拱橋拱肋產(chǎn)生高程誤差，成橋后橋梁軸線和設(shè)計軸線出現(xiàn)偏差。結(jié)構(gòu)初始缺陷對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響分析是必須進行的[2]。勁性骨架拱橋作為一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，溫度變化對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響也是要考慮的因素。

2 工程概況

某主拱圈為凈跨徑200m 上承式勁性骨架鋼筋混凝土箱拱，凈矢跨比1/5，主拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.988。橋梁全長284.3m，橋面全寬12m。主拱圈采用鋼管混凝土勁性骨架，拱圈分為18 個節(jié)段，節(jié)段長約12m，拱軸線范圍內(nèi)均為等截面，拱圈高360cm，寬850cm。

該橋采用纜索吊裝勁性骨架, 然后往鋼管由下往上灌注C80自密實混凝土,待混凝土凝固后再分環(huán)分段澆筑外包混凝土,最后施工拱上立柱肋外包混凝土采用“三環(huán)六面”法施工?！叭h(huán)”即將主拱截面沿拱軸分作底板、腹板和頂板三環(huán)。每次施工一環(huán)，每一環(huán)采用多點均衡澆筑, 下一次施工必須在上一次施工的混凝土養(yǎng)護一個齡期后進行，使得澆筑完的混凝土與勁性骨架共同承擔(dān)新澆筑混凝土的濕重荷載。六面即將每一環(huán)沿主拱圈分做六段,澆筑混凝土?xí)r, 每一段在前一工作段凝固混凝土的基礎(chǔ)上同時施工,分多次澆筑完畢,最后完成該環(huán)混凝土的澆筑。

3 模型計算

弦管、橫聯(lián)、平聯(lián)均采用梁單元，腹桿、外包混凝土采用板單元，扣索采用桁架單元，橫隔板采用集中力模擬，頂?shù)装宓菇翘幓炷林亓恳跃己奢d模擬。依次建立節(jié)點、單元并定義材料、截面、厚度、邊界條件、荷載方案、施工階段等，建立MIDAS/Civil 分析模型圖1 所示。

圖1 Midas/civil 模型

在實際施工過程中，我們必須考慮勁性骨架在最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定性，根據(jù)規(guī)范《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》計算出風(fēng)荷載，我們可以得到在風(fēng)荷載下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)。（這里我們僅考慮一階屈曲）

計算可知：（1）在封鉸前一階段6 級橫向風(fēng)作用下，一階屈曲系數(shù) λ=43.1，大于4.0，滿足要求。（2）在封鉸前一階段11 級橫向風(fēng)作用下，一階屈曲系數(shù) λ=40.1，大于4.0，滿足要求。（3）最大懸臂階段6 級橫向風(fēng)作用下，一階屈曲系數(shù) λ=18.5，大于4.0，滿足要求。（4）最大懸臂階段11 級橫向風(fēng)作用下一階屈曲系數(shù) λ=15.1，大于4.0，滿足要求。綜上，在有風(fēng)作用，且無論是在封鉸前一個施工階段還是最大懸臂狀態(tài)，結(jié)構(gòu)都處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際受力特征，選取腹板混凝土澆筑過程中最不利階段進行穩(wěn)定性分析，即澆筑腹板合龍段混凝土前一個施工階段。計算可知，一階屈曲系數(shù) λ=13.7，大于4.0，滿足要求，如圖2 所示。選取澆筑頂板合龍段混凝土前一個施工階段來分析其穩(wěn)定性。計算可知，一階屈曲系數(shù) λ=27.3，大于4.0，滿足要求，如圖3 所示。

圖3 頂板混凝土澆筑階段穩(wěn)定性計算

4 結(jié)論

通過對大橋主拱圈勁性骨架混凝土拱橋建立Midas/civil 模型,分析其施工階段的穩(wěn)定性,并根據(jù)規(guī)范計算風(fēng)荷載，計算出風(fēng)荷載對施工階段穩(wěn)定性影響，對各施工階段穩(wěn)定系數(shù)進行計算分析,得出以下結(jié)論:

4.1 計算結(jié)果表明穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。橋梁施工過程中穩(wěn)定系數(shù)較低的階段為鋼管內(nèi)混凝土灌注后僅計濕重階段及腹板混凝土澆筑僅計濕重階段,此時混凝土未形成強度,相當(dāng)于外荷載作用于結(jié)構(gòu)上。這2 個階段在施工中應(yīng)格外特別注意,并應(yīng)采取相應(yīng)的方法增強施工階段穩(wěn)定性。

4.2 風(fēng)荷載對穩(wěn)定系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在吊裝階段最大懸臂狀態(tài),穩(wěn)定系數(shù)在這個時候下降較大,不可忽視風(fēng)荷載的作用,應(yīng)注意采取措施增強抗風(fēng)穩(wěn)定性。