混凝土壓注工序?qū)︿摴芑炷凉皹騼?nèi)力分布的影響研究

李臣嶸，李利，李明，胡宗軍，牛忠榮

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中鐵上海工程局建筑工程有限公司，上海 200436）

鋼管混凝土拱橋憑借著其優(yōu)越的性能以及較高的經(jīng)濟(jì)效益[1]，扮演了我國(guó)過(guò)去幾十年橋梁快速發(fā)展歷程中重要的角色。鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)明顯[2]，原因在于鋼管和混凝土在相互制約的受力過(guò)程中，充分發(fā)揮了各自力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)。混凝土受到鋼管的約束，使得其極限壓縮應(yīng)變提升，增大了結(jié)構(gòu)承載力，蠕變速率相對(duì)于普通混凝土也有所降低[3]。而鋼管由于混凝土的填充，也保證了鋼管的局部穩(wěn)定。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出能充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能，以及鋼材的抗拉能力、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊性能好等等的特點(diǎn)。由于工程材料和施工技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)鋼管混凝土拱橋的跨徑已由四川省旺蒼市境內(nèi)1990年建成的東河大橋的110m發(fā)展至四川省瀘州市境內(nèi)2013年建成的合江長(zhǎng)江一橋的530m。

鋼管混凝土拱橋的建成須先完成拱肋結(jié)構(gòu)的拼裝合龍，進(jìn)而再向鋼管內(nèi)壓注混凝土形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成橋梁建成。對(duì)于鋼管混凝土拱橋而言[4]，拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布以及拱肋線性變化是否合理是決定橋梁能否安全落成的關(guān)鍵因素，而向鋼管壓注混凝土的施工方案將對(duì)鋼管混凝土拱橋內(nèi)力產(chǎn)生顯著影響。Milan等[5]通過(guò)四種實(shí)驗(yàn)方法，分析了管內(nèi)混凝土初步壓注階段，可對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)施加初應(yīng)力，從而提升了鋼管混凝土截面強(qiáng)度。劉斌[6]采用組合空間梁?jiǎn)卧ǎ行M了啞鈴型鋼管混凝土拱橋的混凝土灌注施工過(guò)程。認(rèn)為不同混凝土灌注順序?qū)υ擃?lèi)拱橋影響較小。王元清等[7]分析了鋼管混凝土拱橋施工過(guò)程的線性和非線性穩(wěn)定性，并認(rèn)為鋼管混凝土已灌注，但還未形成強(qiáng)度時(shí)，拱橋整體穩(wěn)定性最低；當(dāng)混凝土剛度形成以后，整體穩(wěn)定性最高。白應(yīng)華等[8]對(duì)鋼管混凝土對(duì)稱灌注過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，認(rèn)為混凝土灌注完成后將大幅提升整體剛度，采用對(duì)稱壓注可保證拱圈結(jié)構(gòu)安全。孫九春等[9]認(rèn)為影響混凝土灌注順序的重要因素是各弦管的剛度分配能力，延長(zhǎng)各管灌注混凝土間隔時(shí)間，降低應(yīng)力效果并不明顯。

本文依托奉節(jié)梅溪河特大橋施工為工程背景，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和施工工序建立有限元模型，并采用雙單元法有效模擬鋼管混凝土組合材料，提出了4種不同壓注順序的方案進(jìn)行有限元計(jì)算，通過(guò)分析各施工階段下結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)，研究不同混凝土壓注方案對(duì)拱橋內(nèi)力的影響，并優(yōu)選壓注混凝土的施工方案。

1 工程概況

重慶奉節(jié)梅溪河特大橋位于重慶市奉節(jié)縣梅溪河長(zhǎng)江入口上游約1.5km處，主橋?yàn)閯判怨羌茕摻罨炷辽铣惺教峄@拱橋，鋼桁拱肋為勁性骨架，弦管材質(zhì)為Q390D，主弦管及橫梁弦管內(nèi)灌注C60自密實(shí)無(wú)收縮混凝土，拱圈勁性骨架外包C55補(bǔ)償收縮混凝土。主拱肋為變寬變高鋼桁拱架，拱跨340m，矢高74m。主拱圈平面呈X形，分為拱腳分叉段和拱頂合并段，分叉段半幅采用三道橫梁連接，拱箱外緣高度由拱腳處高11m變至拱頂處高6m。梅溪河特大橋的施工過(guò)程主要包括建立斜拉扣掛體系（如圖1所示），對(duì)拱肋預(yù)制節(jié)段吊裝拼裝，壓注管內(nèi)混凝土，拆除扣索錨索，外包拱肋骨架混凝土，建立拱上墩柱以及橋面系等。

圖1 梅溪河特大橋斜拉扣掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 力學(xué)分析模型的建立

2.1 力學(xué)模型設(shè)定

梅溪河特大橋拱肋主弦管尺寸為φ750mm×24mm，聯(lián)接系為四肢組合角鋼結(jié)構(gòu)，材料采用Q390D，其許用應(yīng)力值為295MPa。拱肋總計(jì)用鋼量4083.3t[10]。如圖2所示，河岸每側(cè)拱肋分為16個(gè)節(jié)段，通過(guò)斜拉扣掛系統(tǒng)進(jìn)行懸臂拼裝，通過(guò)調(diào)整扣索和錨索索力將各拱肋節(jié)段吊裝至設(shè)計(jì)高度，在拱肋線形達(dá)到合龍要求后再完成拱肋合龍。

圖2 梅溪河特大橋半幅拱肋施工圖

梅溪河特大橋主弦管按照上下游、內(nèi)側(cè)外側(cè)、上下弦的位置分布，如圖3所示。拱肋主弦管及橫梁弦管內(nèi)設(shè)計(jì)采用C60微膨脹自密實(shí)混凝土壓注填充，其抗壓設(shè)計(jì)值為27.5MPa，抗拉設(shè)計(jì)值為2.4MPa。待拱肋鋼骨架完成合龍后，河岸兩側(cè)拱腳位置開(kāi)制壓注孔，拱頂開(kāi)制出漿孔，按照設(shè)定的鋼管內(nèi)混凝土壓注順序，利用高壓輸送泵同時(shí)對(duì)稱從拱腳向拱頂推進(jìn)，在完成壓注后采用敲擊法或超聲波法檢測(cè)壓注質(zhì)量，確保鋼管與管內(nèi)混凝土貼合密實(shí)。

圖3 梅溪河特大橋主弦管分布圖

根據(jù)梅溪河特大橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件Midas Civil對(duì)其建立力學(xué)模型，如圖4所示。整個(gè)模型共建立了3521個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含6706個(gè)各類(lèi)型單元，拱肋鋼結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，而扣索結(jié)構(gòu)采用桁架單元進(jìn)行模擬。力學(xué)模型中拱肋結(jié)構(gòu)需要考慮吊耳、匹配件、拱圈爬梯等等附屬結(jié)構(gòu)重量，因此通過(guò)修正力學(xué)模型中拱肋各節(jié)段材料容重，保證力學(xué)模型單元重量與實(shí)際材料重量一致。梅溪河特大橋在完成拱肋合龍施工后，拱肋由兩側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為完整拱結(jié)構(gòu)，因此在對(duì)拱肋鋼管內(nèi)混凝土壓注的施工過(guò)程中，將扣索于交界墩和扣塔上的錨固節(jié)點(diǎn)以及拱腳單元所包含節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為固接的邊界條件。

圖4 梅溪河特大橋力學(xué)模型

2.2 拱肋結(jié)構(gòu)有限元模擬方法

鋼管混凝土是組合材料結(jié)構(gòu)形式，其與單一材料不同的是兩種材料在拱受力過(guò)程中均發(fā)揮出各自材料的優(yōu)勢(shì)，可良好發(fā)揮出組合材料的力學(xué)屬性。目前對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析方法可分為纖維模型法和有限單元法兩大類(lèi)。其中纖維模型法中包含換算材料法、統(tǒng)一理論法、雙單元法。其中換算材料法即將組合材料截面中的混凝土換算成鋼材，或者將鋼材換算成混凝土進(jìn)行計(jì)算，可以得到材料全截面的應(yīng)力情況。統(tǒng)一理論法是在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將鋼管混凝土視作一種組合材料，并考慮了鋼管對(duì)混凝土的套箍作用。但是上述兩種方法無(wú)法得出拱肋截面中鋼材和混凝土各自的應(yīng)力情況。應(yīng)用雙單元法建立梅溪河特大橋有限元模型時(shí)，即在拱肋空間位置上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，根據(jù)拱肋骨架實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，分別建立鋼管梁?jiǎn)卧突炷亮簡(jiǎn)卧鐖D5所示。兩梁?jiǎn)卧臻g位置重疊，但材料屬性、截面屬性分別屬于各自材料特性，也可分別得到鋼材和混凝土的工作應(yīng)力情況。

圖5 雙單元法示意圖

對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析也可采用有限單元法，如有限元法軟件Midas Civil中提供了聯(lián)合截面法進(jìn)行力學(xué)建模，其原理是將由兩種不同特性的材料構(gòu)成的截面轉(zhuǎn)換為具有同一彈性模量的材料截面，通過(guò)這種等效轉(zhuǎn)換使得鋼管混凝土截面前后產(chǎn)生的應(yīng)變相同，在建立力學(xué)模型時(shí)，只需定義構(gòu)成拱肋骨架的梁?jiǎn)卧孛鏋槁?lián)合截面即可。

運(yùn)用雙單元法建立鋼管混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，在管內(nèi)混凝土完成壓注，但還未形成強(qiáng)度的施工階段下，僅激活拱肋骨架鋼管梁?jiǎn)卧惺芎奢d，同時(shí)激活各節(jié)段與管內(nèi)混凝土相匹配的混凝土濕重荷載。在管內(nèi)混凝土經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)形成強(qiáng)度后，形成完整的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，在此施工階段下則鈍化混凝土濕重荷載，激活與鋼管梁?jiǎn)卧晃恢玫幕炷亮簡(jiǎn)卧?，從而形成雙單元結(jié)構(gòu)。而運(yùn)用聯(lián)合截面法時(shí)，則需要定義聯(lián)合截面中鋼材和混凝土材料的材齡和強(qiáng)度，并設(shè)定兩者在不同施工階段下的激活或者鈍化，以此匹配鋼管混凝土拱橋在不同施工階段下的截面屬性。將力學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)兩種方法所得結(jié)果之間近似無(wú)差異。本文采用雙單元法對(duì)梅溪河特大橋鋼管內(nèi)部混凝土壓注施工過(guò)程，應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行有限元分析。

3 鋼管內(nèi)混凝土壓注方案

拱肋主弦管內(nèi)混凝土壓注順序不同會(huì)對(duì)拱肋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布造成影響。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及拱肋實(shí)際結(jié)構(gòu)分析，只可將上、下游對(duì)稱的兩根主弦管按先上游后下游的順序進(jìn)行連續(xù)壓注，即上游弦管壓注完成后即壓注對(duì)稱位置下游弦管，保證上游弦管內(nèi)部已完成壓注的混凝土，在下游弦管內(nèi)混凝土完成壓注前尚未初凝。不考慮先完成上游側(cè)（或下游側(cè)）所有弦管內(nèi)混凝土壓注方案?；诖饲疤?，提出以下4種壓注方案進(jìn)行有限元計(jì)算并將結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，各方案壓注順序如下圖所示。

方案1按照先下弦鋼管，后上弦鋼管的原則進(jìn)行壓注。方案2按照先內(nèi)側(cè)，后外側(cè)的原則進(jìn)行壓注，例如完成了下弦內(nèi)側(cè)鋼管的壓注后，進(jìn)行上弦內(nèi)側(cè)鋼管的壓注。方案3按照先外側(cè)，后內(nèi)側(cè)的原則進(jìn)行壓注，例如完成了下弦外側(cè)鋼管的壓注后，進(jìn)行上弦外側(cè)鋼管的壓注。方案4按照先上弦鋼管，后下弦鋼管的原則進(jìn)行壓注。

4 壓注方案下拱肋應(yīng)力結(jié)果分析

按照上節(jié)所提出的4種鋼管管內(nèi)混凝土壓注方案進(jìn)行有限元法計(jì)算。對(duì)每個(gè)壓注方案，本文都按照4個(gè)步驟完成對(duì)八根拱肋主弦管壓注的有限元力學(xué)分析，分施工階段對(duì)鋼管應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖6）。

圖6 施工中4種壓注方案下鋼管最大應(yīng)力變化趨勢(shì)

4.1 拱肋鋼管最大應(yīng)力

在4種壓注方案下，采用有限元法分別進(jìn)行力學(xué)分析，4種方案下拱肋鋼管最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。隨著每施工階段內(nèi)鋼管管內(nèi)混凝土完成壓注，拱肋骨架最大應(yīng)力逐漸上升。其中按照方案4進(jìn)行壓注的拱肋鋼管，其最大應(yīng)力相較于前3種方案都高出約20MPa，其原因是方案4是4種方案中唯一先從拱肋上弦部分鋼管進(jìn)行壓注的方案。在完成第一步驟內(nèi)的管內(nèi)混凝土壓注并形成強(qiáng)度后，方案4下的拱肋鋼管最大應(yīng)力為-110.6MPa，位于拱肋八分之一位置的下弦鋼管，其余3個(gè)方案下的拱肋鋼管最大應(yīng)力均約為-94MPa。

方案1，2和4雖對(duì)鋼管內(nèi)混凝土壓注順序不同，但是均從拱肋下弦部分鋼管進(jìn)行第一步驟內(nèi)的混凝土壓注。由圖6結(jié)果可見(jiàn)前3種方案下的拱肋鋼管最大應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)均無(wú)較大差別。在完成所有拱肋鋼管內(nèi)混凝土壓注后，拱肋鋼管最大應(yīng)力方案1為-144.1MPa，方案2為-143.2MPa，兩者相差無(wú)幾。但方案3的拱肋鋼管最大應(yīng)力上升為-155.2 MPa。方案1和方案2在最后步驟中完成壓注的是拱肋上弦外側(cè)鋼管，而方案3在最后步驟中完成壓注的是拱肋上弦內(nèi)側(cè)鋼管。因此根據(jù)有限元法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，提出鋼管混凝土拱橋的管內(nèi)混凝土壓注施工方案應(yīng)遵循“先下弦，后上弦；先內(nèi)側(cè)，后外側(cè)”的鋼管壓注原則。

4.2 拱肋混凝土最大應(yīng)力

管內(nèi)混凝土壓注成型后形成強(qiáng)度，成為拱肋骨架受力結(jié)構(gòu)的一部分，因此依據(jù)混凝土應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)，同樣可以對(duì)比出各壓注方案的優(yōu)劣。由圖7結(jié)果可以看出，隨著施工階段的推進(jìn)，方案4的混凝土應(yīng)力仍要大于前3種壓注方案。但在完成所有管內(nèi)混凝土壓注，并形成強(qiáng)度后（即S9施工階段），各壓注方案下的混凝土應(yīng)力情況有所不同。圖8為該施工階段下拱肋各位置鋼管內(nèi)混凝土的應(yīng)力分布情況。方案4下的拱肋拱頂管內(nèi)混凝土應(yīng)力值最大，為-6.2MPa。方案1、2、3下的混凝土應(yīng)力分布相同，八分之一拱肋處的鋼管內(nèi)混凝土應(yīng)力最大，而拱肋拱頂位置處的管內(nèi)混凝土應(yīng)力最??；其中方案3的混凝土應(yīng)力最大值為-5.84MPa，方案2為-4.76MPa，方案1為-4.6MPa。

考慮梅溪河特大橋在完成管內(nèi)混凝土壓注后，后續(xù)進(jìn)行外包拱肋骨架混凝土、構(gòu)筑拱上墩柱以及橋面系等施工內(nèi)容，故當(dāng)前施工階段下所計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力值越小，更有利于拱橋后續(xù)施工和使用階段的結(jié)構(gòu)安全。因此綜合對(duì)比各壓注方案下工作應(yīng)力的有限元法計(jì)算結(jié)果，本文提出壓注方案1為梅溪河特大橋優(yōu)選的拱肋鋼管混凝土壓注施工方案。

圖7 四種壓注方案下混凝土應(yīng)力變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

圖8 四種壓注方案下拱肋各位置混凝土最大壓應(yīng)力

本文以梅溪河特大橋拱肋骨架鋼管管內(nèi)混凝土壓注施工過(guò)程為研究對(duì)象，應(yīng)用雙單元法建立拱肋骨架力學(xué)分析模型，即在拱肋空間位置上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，根據(jù)拱肋骨架實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，分別建立鋼管梁?jiǎn)卧突炷亮簡(jiǎn)卧８鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工序設(shè)定有限元模型中的施工階段，提出4種不同壓注方案進(jìn)行有限元法計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得以下結(jié)論：

①通過(guò)對(duì)比拱肋鋼管應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)可得，鋼管管內(nèi)混凝土遵循“先下弦，后上弦；先內(nèi)側(cè)，后外側(cè)”的壓注原則，可使鋼管所受工作應(yīng)力更小，施工后拱肋骨架結(jié)構(gòu)更安全。

②通過(guò)對(duì)比拱肋混凝土應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)可得，先壓注上弦部分鋼管的方案4下的拱肋拱頂管內(nèi)混凝土應(yīng)力值最大。在所有鋼管管內(nèi)混凝土完成壓注，并形成強(qiáng)度的施工階段，綜合對(duì)比拱肋各位置的混凝土應(yīng)力分布情況，方案1即先壓注下弦內(nèi)側(cè)鋼管，接著壓注下弦外側(cè)鋼管，然后壓注上弦內(nèi)側(cè)鋼管，最后壓注上弦外側(cè)鋼管的混凝土壓注方案為梅溪河特大橋最優(yōu)的拱肋鋼管混凝土壓注方案。本文分析結(jié)果也可為類(lèi)似大跨度混凝土拱橋的管內(nèi)混凝土壓注施工提供參考。