基金項目：廣西重點研發(fā)計劃“基于大跨徑拱橋施工的智慧工地建設技術研究與應用”（編號：桂科AB20297028）

作者簡介：陳世才（1983—），工程師，主要從事橋梁施工管理工作。

文章以世界最大跨公路鋼管混凝土提籃拱橋沙尾左江特大橋為工程依托，基于有限元方法，利用MIDAS/Civil軟件建立了大橋空間仿真模型，對拱肋混凝土灌注過程中主拱應力、變形及穩(wěn)定性進行研究。結果表明：確定最優(yōu)灌注順序是保證結構后續(xù)良好受力的關鍵，對于鋼管而言，上、下弦桿應力差在L/2跨徑范圍內(nèi)以L/4截面為中點呈正負交替的形式，且拱腳段上弦桿應力遠大于下弦桿，而混凝土應力變化趨勢與灌注順序一致，先灌注的混凝土更先參與協(xié)同受力；拱肋偏位產(chǎn)生原因可大致分為兩類，主要決定因素為拱肋整體剛度以及混凝土自重大小，但對于全過程而言，混凝土灌注完畢后拱肋偏位最終會回歸到0值附近；對于提籃拱橋，拱肋混凝土灌注過程中結構失穩(wěn)模態(tài)均為面外反對稱失穩(wěn)，且一階穩(wěn)定系數(shù)均較大，這是由提籃拱本身結構特性決定的。

橋梁工程；提籃拱；混凝土灌注；應力；變形；穩(wěn)定性

U448.22-A-01-001-4

0?引言

鋼管混凝土拱橋因其良好結構受力、造型優(yōu)美、經(jīng)濟性強等優(yōu)點近年來得到了大力發(fā)展［1］。管內(nèi)混凝土灌注常采用真空輔助施工工藝［2］，混凝土泵送是形成鋼-混組合截面的關鍵性環(huán)節(jié)，特別是混凝土灌注前期混凝土以濕重作用于空鋼管，此時鋼-混組合結構并未形成有效強度，結構變形較大且過程偏載嚴重，為此有必要針對該環(huán)節(jié)展開詳細分析以確?，F(xiàn)場實施安全。

目前已有相關學者做過類似研究，王建軍等［3］根據(jù)ALARP風險可接受準則，對管內(nèi)混凝土可能出現(xiàn)的事故進行了風險評估；譚中法等［4］依托德余高速公路烏江特大橋，分析了不同混凝土灌注順序?qū)袄呦夜軆?nèi)力分配和混凝土應力的影響；趙藝程等［5］為降低管內(nèi)混凝土灌注施工風險，開展了混凝土頂升灌注工藝試驗研究；劉小勇等［6］針對管內(nèi)混凝土灌注過程結構出現(xiàn)異常振動的現(xiàn)象，詳細分析了現(xiàn)象產(chǎn)生原因；曾勇等［7］結合混凝土強度發(fā)展情況，探討了改變管內(nèi)混凝土灌注順序?qū)Ω纳乒袄咂坏目尚行浴?/p>

綜合上述分析，現(xiàn)有文獻研究大多針對平行拱橋開展，而對大跨提籃拱橋灌注過程中結構受力、變形及穩(wěn)定性鮮有研究。為彌補不足，本文以世界最大跨公路鋼管混凝土提籃拱橋沙尾左江特大橋為工程背景，對拱肋混凝土灌注過程中結構響應展開了詳細研究，以供同類型橋梁施工借鑒和參考。

1?工程概況

1.1?工程背景

沙尾左江特大橋位于廣西崇左市境內(nèi)，設計為一跨過江形式，主橋為主跨360 m中承式鋼管混凝土提籃拱橋，拱肋向橋中軸線內(nèi)傾10°。主要設計參數(shù)：拱軸線系數(shù)為1.55、計算跨徑為340 m、計算矢高為75 m，拱軸線采用懸鏈線。

大橋拱肋采用桁式結構，拱肋截面為等寬變高度矩形截面，肋寬3.2 m，拱腳截面和拱頂截面徑向高度分別為12 m和7 m。每肋上、下弦均為兩根1 200 mm鋼管混凝土弦管，壁厚有24 mm、28 mm、32 mm 3種規(guī)格，其中綴管尺寸為720×16 mm，豎向腹桿為610×14 mm。拱肋鋼材為Q345qc，管內(nèi)混凝土為C60自密實混凝土。大橋整體布置如圖1所示。

1.2?施工灌注方案

隨著管內(nèi)混凝土灌注的進行，拱肋剛度不斷變化，受力復雜，先澆筑并凝固的混凝土將在以后的工況中與空鋼管協(xié)同受力，因此必須在灌注方案明確的情況下進行施工控制分析。沙尾左江特大橋主弦管管內(nèi)混凝土灌注采用真空輔助施工工藝，以提高施工質(zhì)量，主弦管內(nèi)使用C60自密實高性能混凝土。由于該橋單根管內(nèi)混凝土灌注方量達413.9 m3，拌和站較遠，一次性灌注很難完成；同時拱頂較高為減少泵送壓力和灌注風險，單根拱肋鋼管半跨設2處進漿支管，分二級向拱頂泵送。為了避免灌注時進漿口對管壁的沖擊力，在管內(nèi)部設置一節(jié)彎管以緩解沖擊，第1級選用規(guī)格為45°R1 m的彎管，第2級選用規(guī)格為15°R1 m的彎管。具體布置及灌注順序如下頁圖2所示。

2?有限元模型

采用橋梁通用有限元程序Midas Civil軟件建立大橋管內(nèi)混凝土灌注仿真分析模型，除吊桿采用桁架單元、橋面板采用板單元模擬外，其余均采用空間梁單元模擬。管內(nèi)混凝土泵送過程采用程序自帶的施工階段聯(lián)合截面模擬，其中混凝土強度發(fā)展通過定義C60強度發(fā)展曲線實現(xiàn)。大橋拱腳固結，拱上立柱盆式支座根據(jù)實際剛度以彈性連接模擬。大橋結構離散共計節(jié)點數(shù)1 548個，單元數(shù)2 756個，有限元模型如圖3所示。

3?橋梁施工過程分析

3.1?灌注過程中結構應力分析

隨著施工的推進，管內(nèi)混凝土凝固的同時也具備了一定的剛度，后期灌注的混凝土以濕重的方式作用于結構時，前期凝固的混凝土將與拱肋弦桿形成整體結構協(xié)同受力。這時對于鋼管和混凝土而言，其內(nèi)部應力儲備也隨著施工的進行發(fā)生變化，因此有必要對拱肋整個動態(tài)的灌注過程展開應力分析。整個灌注階段拱腳截面、L/4截面，拱頂截面拱肋最大組合應力如圖4～6所示。

由圖4～6可得，隨著施工階段的進行，鋼管及管內(nèi)混凝土應力呈現(xiàn)遞增的趨勢。在整個管內(nèi)灌注過程中，鋼管壓應力最大值出現(xiàn)在8#管拱頂位置，為122.2 MPa，小于Q345鋼材容許應力210 MPa；管內(nèi)混凝土壓應力最大值出現(xiàn)在1#管L/4截面位置，為13.7 MPa，滿足C60應力限值26.5 MPa，施工階段材料使用滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

與此同時，縱觀拱腳到拱頂截面，拱腳位置處于最大受力，拱腳截面處鋼管下弦應力遠大于上弦受力，同時上弦部分鋼管出現(xiàn)拉應力；從拱腳段到L/4截面，拱肋上下弦桿應力差趨于小值；從L/4截面到拱頂位置，拱肋上弦桿的應力值大于下弦桿。這是由于拱式結構在荷載作用下，拱頂承受正彎矩，拱腳承受負彎矩，L/4截面為正負彎矩的過渡段，使得該桁架結構在L/2跨范圍內(nèi)，上下弦桿的應力差呈現(xiàn)正負交替形式（如圖7所示）。同時不難發(fā)現(xiàn)，對于混凝土而言，混凝土的壓應力大小與灌注順序是相對應的，即先灌注的混凝土凝固后將與拱肋弦桿協(xié)同受力，隨著后續(xù)管內(nèi)混凝土灌注的進行承受更大的壓應力。（注：“-”表示下弦桿截面應力大于上弦應力）

為了驗證單根鋼管不同灌注順序?qū)Y構的影響，下面分別以5#管和7#管為例，給出拱肋各關鍵截面的應力變化情況，結果如表1和表2所示。

由表1和表2所可得，5#管灌注完畢后，對1#、8#、6#鋼管影響較大；7#管灌注完畢后，對2#、6#、8#管影響較大。不難發(fā)現(xiàn)，單根鋼管混凝土灌注時，對同一側(cè)下弦桿以對側(cè)同一位置處鋼管受力影響較大，甚至在拱肋某些位置產(chǎn)生了拉應力，進一步闡明了合理施工順序的重要性。

3.2?灌注過程中結構線形分析

作為鋼管混凝土拱橋，尤其是內(nèi)傾角度較大的提籃式，其管內(nèi)混凝土灌注大致可分為兩個階段：（1）混凝土濕重階段，此時混凝土自重以荷載的形式直接作用于空鋼管之上；（2）鋼-混組合結構形成階段，此時混凝土已逐漸形成自身強度，共同與空鋼管承擔后續(xù)混凝土濕載。對于提籃式拱橋，管內(nèi)混凝土灌注引起拱肋的偏載是不可回避的問題，從力學的角度分析，其影響因素可分為以下兩類：

（1）對于特大橋梁而言，考慮混凝土后場的供應，通常選擇拱肋逐根灌注的形式，此時對于整個拱肋結構而言，處于偏載作用下，勢必會引起上下游拱肋不均勻的彈性壓縮，使得拱肋偏向灌注側(cè)，如圖8（a）所示。

（2）由于為空間異形結構，拱肋內(nèi)傾，將灌注部分混凝土自重沿拱肋中軸線分解，具有向?qū)?cè)傾斜的趨勢，如圖8（b）所示。

根據(jù)上述分析，不難發(fā)現(xiàn)兩種影響因素對拱肋偏位的影響互為對立關系，對于拱肋整體結構較大且混凝土荷載較小時，前者為主導關系，反之后者為主導關系。

大橋單肋共劃分為16個節(jié)段，控制點均取階段交點，鑒于篇幅有限，如下頁表3和表4分別給出了1#管灌注和管內(nèi)混凝土整體灌注完成后L/2跨范圍內(nèi)拱肋線形變化數(shù)據(jù)。（其中拱肋高差均為下游減上游，橫向偏位以上游為正。）

由表3數(shù)據(jù)可分析得到，1#管灌注完畢，拱肋朝灌注對側(cè)傾斜，體現(xiàn)為第二種因素占主導作用。此時位于L/4截面的4#段上下游高差達到了16.78 mm，且拱頂位置8#段的偏位達到了23.43 mm。由表4可知，管內(nèi)混凝土灌注完畢，此時拱肋結構處于對稱荷載作用下，拱肋橫向最大偏位僅為3.82 mm，可基本忽略不計。由此可見，對于管內(nèi)混凝土整個灌注階段，拱肋偏位僅為暫時過程數(shù)據(jù)，隨著混凝土灌注的進行，其數(shù)值終將回歸0值附近。

3.3?灌注過程中結構穩(wěn)定性分析

作為世界最大跨公路鋼管提籃拱橋，管內(nèi)混凝土灌注過程中的穩(wěn)定問題較平行拱更為突出，應當引起足夠的重視。因此，本文結合拱橋的受力特點，采用有限元理論進行管內(nèi)混凝土灌注過中一類穩(wěn)定線性屈曲分析。根據(jù)線性屈曲理論，結構在外荷載作用下的特征方程為：

根據(jù)管內(nèi)灌注順序先后將8根弦桿灌注分為8個施工工況，運用Midas Civil[JP4]軟件進行施工過程結構穩(wěn)定性分析，結果只考慮1階彈性穩(wěn)定系數(shù)。分析結果如表5所示。

由表5可得，在管內(nèi)混凝土灌注過程中，大橋在8種荷載工況下的拱肋穩(wěn)定系數(shù)均大于4，且都為面外反對稱，滿足《公路鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范》（JTGT D65-06-2015）5.9.1條例［8］要求。同時，隨著管內(nèi)混凝土灌注的進行，拱肋穩(wěn)定系數(shù)幾乎呈均勻趨勢減小，無劇烈突變。8#管內(nèi)混凝土灌注完畢后，拱肋穩(wěn)定系數(shù)保持在17.27，可見結構縱橋向剛度對結構穩(wěn)定性的影響要大于橫橋向剛度的作用。作為提籃式拱橋.其本身具有較大的橫向剛度，因此結構一階穩(wěn)定系數(shù)較大。

4?結語

本文以世界最大跨公路鋼管混凝土提籃拱橋沙尾左江特大橋為工程依托，利用有限元方法詳細分析了管內(nèi)混凝土灌注這一關鍵環(huán)節(jié)對拱肋應力、線形及穩(wěn)定性的影響，得出主要結論如下：

（1）管內(nèi)混凝土單側(cè)灌注時，對同側(cè)下弦桿以對側(cè)同一位置處鋼管受力影響較大，甚至在拱肋某些位置產(chǎn)生了拉應力，因此確定最優(yōu)的灌注順序是保證結構后續(xù)施工良好受力的關鍵。

（2）管內(nèi)混凝土灌注過程中：對于鋼管，上下弦桿應力差在L/2跨徑范圍內(nèi)成正負交替形式，其中拱腳段上弦桿應力遠大于下弦桿受力，施工過程中務必關注拱腳段受力情況；對于混凝土，混凝土的壓應力大小與灌注順序一致，即先灌注的混凝土凝固后將與拱肋弦桿協(xié)同參與后續(xù)工況的受力，灌注完成后將承受更大的壓應力。

（3）拱肋單側(cè)灌注時，拱肋整體剛度和混凝土自重大小決定了拱肋傾斜方向，拱肋剛度小，荷載大結構朝灌注側(cè)傾斜，反之則為相反，但混凝土灌注完畢后拱肋偏位終會回歸0值附近。

（4）結構穩(wěn)定系數(shù)在灌注過程中呈均勻趨勢減小，且都為面外反對稱失穩(wěn)，其整體一階系數(shù)較大，這是由提籃拱橋本身結構特性決定的。

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