李玉忠 梁玲玉 喬春蕾 郭 強(qiáng) 于楓珍

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

近年來，鋼管混凝土拱橋憑借其自重輕、承載能力大、施工方便等特點，逐漸受到橋梁設(shè)計師的青睞，尤其是對于大跨度橋梁.但由于應(yīng)用時間較短，鋼管混凝土拱橋的設(shè)計、施工、檢測等方面還有待進(jìn)一步研究.對于大跨度勁性骨架鋼管混凝土拱橋，拱肋的施工是一道關(guān)鍵工序，難度和風(fēng)險較大，必須對拱肋的施工過程加以嚴(yán)密的控制[1].大跨橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是工程人員要密切關(guān)注的，尤其是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.失穩(wěn)破壞是一種不可逆的破壞，更應(yīng)引起重視.目前，穩(wěn)定性控制主要是通過預(yù)先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段的穩(wěn)定安全系數(shù)計算，再綜合應(yīng)力、變形等指標(biāo)進(jìn)行評定.隨著國內(nèi)外大型結(jié)構(gòu)計算軟件的發(fā)展，通過施工過程仿真計算，能明顯提高施工效率，特別是對于大跨度橋梁[2].因此，為了確保大跨度鋼管混凝土拱橋的順利施工，必須對其施工過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，對其施工過程進(jìn)行仿真計算具有重要的意義.

1 工程概況

本文以某鐵路勁性骨架鋼管混凝土拱橋為背景，利用大型有限元軟件Midas模擬其拱肋混凝土的施工過程.該橋主橋為上承式拱橋.拱肋截面除拱腳以上4.25 m為實體外余均采用變高箱形截面，拱腳截面高度為5.4 m、寬度為2.3 m，頂板厚度為0.5 m，底板厚度為0.5 m，腹板厚0.4 m，拱頂截面高度為3.2 m、寬度為2.3 m，頂板厚度為0.5 m，底板厚度為0.5 m，腹板厚0.4 m，拱肋截面高度符合立特變化.全橋拱肋又上、下弦桿，斜腹桿，豎腹桿等焊接而成，并外包混凝土，采用C55混凝土.

全橋布置如圖1所示.

圖1 全橋布置圖(m)

2 拱肋混凝土施工過程簡介

該橋仿真采用臨時拱架作為施工支架，待勁性骨架拼裝完畢后，就一次落架.先進(jìn)行鋼管內(nèi)充混凝土，再進(jìn)行勁性骨架外包混凝土的澆注.

鋼管內(nèi)充混凝土養(yǎng)護(hù)成型后，澆注拱肋混凝土.由于拱肋勁性骨架不能夠承受所有混凝土的濕重，所以拱橋拱肋外包混凝土采用分層分段的方法進(jìn)行施工.經(jīng)多種方案比選，最終確定拱肋混凝土采用“四環(huán)六面”法進(jìn)行施工.

“四環(huán)”是指將拱肋截面分為四環(huán)，第一環(huán)為底板，第二環(huán)為下倒角，第三環(huán)為腹板，第四環(huán)為上倒角和頂板，每施工完一環(huán)，待其養(yǎng)護(hù)成型和鋼骨架連接在一起后，再進(jìn)行下一環(huán)的澆筑.

“六面”是指將每一環(huán)再分為六個階段，澆筑每一環(huán)時，六個階段同時施工，最終實現(xiàn)該環(huán)拱肋混凝土的施工.

拱肋混凝土的澆注過程采用大型有限元軟件Midas進(jìn)行模擬.先澆筑拱腳實心段混凝土，再分環(huán)分段澆筑拱肋混凝土.

拱肋混凝土“四環(huán)六面”法施工示意如圖2所示，勁性骨架有限元模型如圖3所示.

圖2 拱肋混凝土施工示意圖

圖3 拱肋有限元模型

3 拱肋混凝土施工應(yīng)力分析

通過有限元分析計算，各施工階段勁性骨架各桿件的應(yīng)力變化如表1～5所示.

表1 拱腳混凝土澆筑后主要桿件組合應(yīng)力表

表2 一環(huán)混凝土澆筑后主要桿件組合應(yīng)力表

表3 二環(huán)混凝土澆筑后主要桿件組合應(yīng)力表

表4 三環(huán)混凝土澆筑后主要桿件組合應(yīng)力表

表5 四環(huán)混凝土澆筑后主要桿件組合應(yīng)力

根據(jù)表1～5，得出主要桿件組合應(yīng)力隨施工階段的變化，如圖4所示.

圖4 主要桿件組合應(yīng)力隨施工階段變化圖

從表1～5和圖4，可以得到如下結(jié)論：

(1)鋼管組合應(yīng)力最大值出現(xiàn)在四環(huán)混凝土澆筑后，大小為50.4 MPa，不超過Q345鋼材的容許值，結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是安全的.

(2)各主要桿件的組合應(yīng)力隨施工階段基本上呈逐漸增加的趨勢，澆筑第三、四環(huán)混凝土?xí)r，應(yīng)力有所降低，這是由于前幾環(huán)混凝土已經(jīng)成型，與勁性骨架一起承擔(dān)荷載.

(3)結(jié)構(gòu)自重主要由上下弦桿承擔(dān)，其應(yīng)力較大.

(4)結(jié)構(gòu)的形變量隨施工階段而逐漸增大，最大的形變量在跨中位置，為3.4 cm，相對于140 m的跨度來說，相對形變僅為1/4118，形變量很小，對使用階段產(chǎn)生的影響很小.

4 拱肋混凝土施工穩(wěn)定性分析

鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定安全一直是橋梁工程界關(guān)注的重點問題.國內(nèi)外尚未頒布有關(guān)鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性分析的相關(guān)規(guī)范，故借鑒公路和鐵路橋梁規(guī)范，公路橋梁規(guī)范中的拱橋穩(wěn)定安全系數(shù)≥4.0，鐵路橋梁規(guī)范中的拱橋橫向穩(wěn)定安全系數(shù)>4～5.基于現(xiàn)已服役的鋼管混凝土拱橋的設(shè)計經(jīng)驗，取本橋的穩(wěn)定安全系數(shù)為4～5.

拱架的整體穩(wěn)定按線彈性進(jìn)行計算，因此應(yīng)滿足規(guī)范所要求的穩(wěn)定安全系數(shù)大于5.考慮到拱肋混凝土施工完成后，拱肋與混凝土結(jié)合在一起，大大增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的剛度，故僅對拱腳混凝土施工階段、一環(huán)混凝土施工階段、二環(huán)混凝土施工階段、三環(huán)混凝土施工階段和四環(huán)混凝土施工階段進(jìn)行拱架穩(wěn)定性的分析.結(jié)果如表6所示.

表6 各個施工階段及模態(tài)下結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)

從表6可以看出：拱肋混凝土施工的各個階段，穩(wěn)定系數(shù)均大于5，說明各階段結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定的.一環(huán)混凝土澆筑時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)偏小，由于此時混凝土濕重是由鋼管拱架獨自承擔(dān)的，所以穩(wěn)定系數(shù)偏小一些；在后續(xù)的施工階段中，穩(wěn)定系數(shù)都在10以上，鋼管拱架與混凝土結(jié)合在一起，剛度增加，穩(wěn)定系數(shù)也隨著提高.

5 結(jié) 論

通過大型有限元計算軟件Midas對某大跨鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土的澆注進(jìn)行了模擬仿真，計算結(jié)果顯示，按著“四環(huán)六面”法施工拱肋混凝土的方案是可行的，且各個施工階段的穩(wěn)定性也滿足要求.對于大跨徑橋梁的施工，施工階段的各項指標(biāo)，尤其是穩(wěn)定性，往往關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全，是不可逆的破壞形態(tài).因此，對于大跨橋梁的施工進(jìn)行仿真分析，預(yù)測其在各施工階段的應(yīng)力、線型和穩(wěn)定性狀態(tài)，對于橋梁施工方案的具體實施有著重要的意義.

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