王洋 龍靖

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

鋼管混凝土拱橋結(jié)合了鋼材與混凝土的優(yōu)點(diǎn)，其套箍效應(yīng)提高了混凝土的延性及承載力，且造價(jià)相對(duì)較低，在山區(qū)橋梁中修建較多。鋼管混凝土拱橋鋼管重量輕，吊裝方便，待空鋼管安裝完成后，以鋼管為模板向內(nèi)灌注混凝土。鋼管混凝土拱橋截面剛度隨灌注混凝土增加逐漸增加，因此管內(nèi)混凝土灌注方案不同，荷載作用位置不同，鋼管受力會(huì)有一定差異，且施工過程拱肋穩(wěn)定性也會(huì)有影響。一種較優(yōu)的灌注方案應(yīng)使鋼管受力較均勻，施工過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

圖1 某大跨徑鋼管混凝土拱橋內(nèi)灌順序

1 優(yōu)化方案提出依據(jù)

目前管內(nèi)混凝土灌注通常為單根鋼管灌注，南北岸對(duì)稱從拱腳向拱頂灌注。灌注過程混凝土自重作用未經(jīng)過橋軸線將產(chǎn)生扭矩導(dǎo)致主拱扭轉(zhuǎn)；單根主鋼管受混凝土水化熱影響溫度升高產(chǎn)生橫向彎矩；兩種作用均會(huì)導(dǎo)致主拱橫向偏位偏差，根據(jù)材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)公式，跨徑越大，橫向偏位偏差影響越大。在某大跨徑鋼管混凝土拱橋灌注過程中測量發(fā)現(xiàn)，混凝土灌注完成時(shí)拱頂截面橫向偏位變化較大，大于規(guī)范規(guī)定的成拱偏位偏差值；這個(gè)偏差值瞬時(shí)存在且可恢復(fù)的，但應(yīng)引起重視。根據(jù)力學(xué)原理，兩種作用效果均可以通過沿橋軸線對(duì)稱灌注兩根管內(nèi)混凝土來消除，因此提出左右幅拱肋對(duì)稱同步灌注混凝土優(yōu)化方案。

2 方案有限元仿真模擬對(duì)比分析

以某500m 跨徑鋼管混凝土拱橋灌注過程采用有限元軟件midas/civil 進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，模型如圖2 所示，共有節(jié)點(diǎn)3134個(gè)，單元6244 個(gè)，邊界拱腳處固結(jié)。本文僅對(duì)比單根灌注方案與左右幅拱肋對(duì)稱同步灌注混凝土優(yōu)化方案，因此簡化為僅計(jì)算分析灌注完成兩根鋼管后結(jié)果對(duì)比，其他幾根灌注過程受力規(guī)律類似；有限元模型中施工步驟如下：方案一（單根灌注方案）：主拱鋼結(jié)構(gòu)一次激活→第一根混凝土濕重荷載→激活第一根混凝土單元、鈍化濕重荷載→第二根混凝土濕重荷載→激活第二根混凝土單元、鈍化濕重荷載；方案二（左右幅拱肋對(duì)稱同步灌注混凝土方案）：主拱鋼結(jié)構(gòu)一次激活→第一、二根混凝土濕重荷載→激活第一、二根混凝土單元、鈍化濕重荷載。

圖2 計(jì)算模型示意圖

2.1 施工過程橫向偏位變化

方案1 施工模擬，灌注第一根時(shí)，由于混凝土自重扭轉(zhuǎn)效應(yīng)橫向偏位變化較大，灌注第二根時(shí)，橫向偏位回到初始位置，但由于第一根混凝土凝固后參與受力，橫向偏位并未完全回到初始位置，但其影響可忽略；方案2 施工模擬，由于荷載是對(duì)稱施加的，理想狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生橫向偏位；計(jì)算結(jié)果如下表所示，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，僅取一側(cè)計(jì)算結(jié)果。

表1 灌注過程偏位變化值（mm）

2.2 施工過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

拱橋是以受壓為主的結(jié)構(gòu)，特別是鋼結(jié)構(gòu)拱橋，施工過程其穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過有限元軟件屈曲模態(tài)分析，分析過程考慮鋼結(jié)構(gòu)自重、混凝土濕重以及風(fēng)荷載；方案1 一階失穩(wěn)為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為12.9；方案2 一階失穩(wěn)同為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為13.8；方案2 較方案1 承受2 倍的混凝土濕重荷載，但由于其荷載沿橋軸線對(duì)稱施加，且鋼管混凝土拱橋一般為面外失穩(wěn)，方案2 施工過程穩(wěn)定性略好于方案1。

2.3 第二根灌注完成后應(yīng)力位移分析

第二根管內(nèi)混凝土灌注完成后，兩種方案下主拱結(jié)構(gòu)截面剛度達(dá)到同一狀態(tài)，若主管應(yīng)力以及拱肋下?lián)现迪嗖钶^小，說明兩種方案下形成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工過程有差異，結(jié)果無差異。根據(jù)有限元軟件計(jì)算結(jié)果，第二根管內(nèi)混凝土灌注完成后方案1 拱腳處已灌注混凝土鋼管的應(yīng)力為-87.9MPa、-88.3MPa，1/4L 處應(yīng)力為-65.0MPa、-65.7MPa，拱頂處應(yīng)力為-61.8MPa、-62.4MPa；方案1 拱腳處已灌注混凝土鋼管的應(yīng)力為-89.4MPa，1/4L 處應(yīng)力為-66.4MPa，拱頂處應(yīng)力為-62.5MPa；方案1 第一根混凝土凝固后與鋼管協(xié)同受力，因此方案1 鋼管應(yīng)力較方案2 小。第二根管內(nèi)混凝土灌注完成后方案1、方案2 主拱1/8L、1/4L、3/8L、拱頂處下?lián)现迪嗖罹∮?mm，可忽略不計(jì)，施工過程對(duì)高程無影響。

3 結(jié)論

通過上述兩種鋼管混凝土拱橋內(nèi)灌混凝土方案有限元仿真模擬對(duì)比分析，單根混凝土灌注和左右幅拱肋對(duì)稱同步灌注混凝土高程及橫向偏位不受方案影響，方案1 鋼管應(yīng)力較方案2小，最大偏差1.5MPa 左右，方案2 較方案1 穩(wěn)定性較好，灌注過程不會(huì)出現(xiàn)拱肋橫向偏位值較大變化；方案2 兩根同時(shí)灌注，可節(jié)省工期，但對(duì)混凝土拌和站產(chǎn)量要求以及人員配置較高，在實(shí)際項(xiàng)目中，鋼管拱肋安裝完成后便存在橫向偏位偏差，加上環(huán)境溫度、混凝土水化熱等影響，如采用單根灌注，拱肋橫向偏位累計(jì)變化量極易超過規(guī)范允許值，建議采用左右幅拱肋對(duì)稱同步灌注混凝土。