曹楊

作者簡介：曹?楊（1992—），工程師，主要從事道路與橋梁技術研究和施工管理工作。

為研究勁性骨架拱橋外包混凝土單工作面澆筑和多工作面澆筑對拱圈力學行為的影響，文章依托某工程實例，利用Midas Civil軟件建立大橋外包混凝士澆筑仿真分析模型，對比分析了方案一“5工作面12工作段”和方案二“4工作面7工作段”兩種施工方案下拱橋外包混凝土的應力、鋼管應力及拱圈變形情況。研究結果表明：兩種方案下拱圈外包混凝土應力趨于一致，但方案一由于單次加載的混凝土濕重較大，造成鋼骨架鋼管應力水平和拱圈變形值均高于方案二。綜合考慮拱橋受力以及現(xiàn)場作業(yè)條件，大橋外包混凝土施工采用方案二。

勁性骨架拱橋；外包混凝土；多工作面；單工作面；力學行為

U448.22A411463

0?引言

勁性骨架拱橋承載能力強，綜合經濟成本低，同時以其優(yōu)美的造型和獨特的傳力形式得到了廣大橋梁工作者的青睞［1］。伴隨著我國經濟的快速發(fā)展，勁性骨架拱橋在山區(qū)得到了大量應用。勁性骨架拱橋施工主要是事先利用形成的桁式拱骨架，然后在骨架上懸掛模板澆筑混凝土而成。一般而言，勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土常采用分環(huán)、分段、多工作面施工，不同的澆筑順序對澆筑過程中混凝土和鋼管應力以及拱圈變形影響較大，會嚴重影響結構成橋狀態(tài)下的內力合理分布。

目前已有相關學者對勁性骨架拱圈外包混凝土施工進行了相關研究，吳海軍等［2］分析了4種不同的分環(huán)澆筑方案對結構的受力影響；馬?？。?］通過一工程實例對拱圈橫截面一次性澆筑成型過程中的關鍵技術進行分析并提出了解決方法；楊國靜等［4］從橫向分環(huán)和縱向分段對比外包混凝土施工方案，研究拱肋在施工過程中的受力狀態(tài)和控制因素；王小飛［5］根據一工程實例分析了不同縱向分段、橫向分環(huán)澆筑方案對骨架受力及撓度的影響。

然而，以上學者研究大多基于拱圈外包混凝土多工作面均衡澆筑的角度開展，少有從單工作面澆筑角度考慮，可見對比兩種施工方法下拱圈的力學行為具有較好的補充意義。為此，本文依托某一工程實例，利用Midas Civil軟件對大橋外包混凝土澆筑過程進行分析，建立了方案一“5工作面12工作段”和方案二“4工作面7工作段”兩種方案下的仿真模型，分別從拱圈外包混凝土應力、鋼管應力、拱圈變形進行對比分析，以確定大橋最優(yōu)澆筑方案，同時以期為其他同類橋梁提供參考。

1?工程概況

某橋橋址為典型的“V”字型峽谷地帶，地址條件較好，設計時速為80 km，采用等截面懸鏈線無鉸拱設計，拱軸系數(shù)為2.1，矢跨比為1/4.2，為一座凈跨徑350 m的上承式勁性骨架混凝土拱橋。主拱由兩條拱肋組成，拱圈外包混凝土采用C55；每條拱肋采用單箱雙室截面，橫橋向寬8 m，縱向采用外形等高5.8 m；拱圈的標準段截面頂、底板厚度為0.4 m，腹板厚度0.3 m。

鋼骨架采用型鋼-鋼管混凝土勁性骨架，每條拱肋各設6根主弦管，采用Q390鋼材，其直徑為508 mm，壁厚由14 mm、18 mm、22 mm 3種型號構成。管內混凝土采用C120高強度補償收縮自密實混凝土。另外，在拱肋橫聯(lián)相應位置設交叉撐，加強橫向連接；腹桿及平聯(lián)和弦管均采用焊接進行連接。大橋立面布置如圖1所示。

2?拱圈外包混凝土澆筑方案

兩種方案下拱圈外包混凝土豎向均分成兩環(huán)，其中，方案一第一環(huán)分為10個工作面，每個工作面分為12個工作段，第二環(huán)分為10個工作面，每個工作面分為4個工作段，分環(huán)分段示意圖如圖2所示；方案二第一環(huán)分為8個工作面，每個工作面分為7個工作段，第二環(huán)分為8個工作面，每個工作面分為4個工作段，分環(huán)分段示意圖如圖3所示。方案一拱圈外包混凝土澆筑順序如表1所示，方案二拱圈外包混凝土澆筑順序如表2所示。（表中i-j-k表示外包混凝土澆筑第i環(huán)第j工作面第k工作段；表1中序號表示5個工作面同時對稱澆筑，

3?有限元模型的建立

采用Midas Civil軟件建立外包混凝土施工階段有限元模型，其中勁性骨架腹桿及平聯(lián)和橫撐采用梁單元模擬，鋼管混凝土主弦管采用組合截面模擬，外包混凝土采用組合梁截面模擬。鋼骨架和拱圈外包混凝土之間采用虛擬剛臂保證拱圈變形協(xié)調，拱腳采用一般支承全固結約束，其空間有限元模型見圖4。外包混凝土在未達到強度形成剛度之前，以梁單元荷載的形式作用在鋼骨架主弦管上，等其達到強度具有一定剛度后，激活相應單元并鈍化對應混凝土濕重荷載。

4?計算結果分析

4.1?拱圈外包混凝土應力

在施工過程中，拱圈外包混凝土具有其濕重大、形成強度時間長、收縮徐變大等特點，因此需要保證澆筑過程中的施工控制，使混凝土的應力始終滿足規(guī)范或設計要求范圍。經計算，兩種方案下在一環(huán)和二環(huán)澆筑結束時拱圈各關鍵截面的混凝土壓應力變化情況如下頁圖5所示。

由圖5可得，一環(huán)和二環(huán)澆筑結束時，方案一中混凝土應力從拱腳到拱頂逐漸減小，方案二中混凝土應力從拱腳到拱頂先變大后變小，其轉變點發(fā)生在L/8～2L/8。這是因為方案一采用多工作面均衡澆筑，全橋受力、變形均勻；方案二則采用的是單工作面澆筑，必然會造成局部應力、變形的突變。根據計算結果，一環(huán)澆筑結束時方案一中混凝土最大壓應力為6.6 MPa，方案二為4.8 MPa；二環(huán)澆筑結束時方案一中混凝土最大壓應力為7.7 MPa，方案二為7.9 MPa。兩種方案中一環(huán)澆筑結束混凝土最大應力相差1.8 MPa，但最終澆筑完成時最大應力趨于一致，說明其跟施工方法無關。另外，在施工過程中應該做好施工控制，如果采用單工作面澆筑，需注意L/8～2L/8位置處的混凝土應力，保證其應力始終處于規(guī)范或設計要求內。

4.2?鋼管應力

勁性骨架拱橋的骨架多采用鋼管混凝土骨架，管內灌注高強度混凝土，隨著施工的進行，管內混凝土的收縮徐變對鋼管產生附加內力，加上拱圈外包混凝土的澆筑，使骨架承受高于自身幾倍的施工荷載。雖然前期已澆筑的混凝土具有強度和剛度后會和鋼骨架產生聯(lián)合作用，一起承受后續(xù)的外荷載，但未產生聯(lián)合作用的部分鋼管應力在不斷進行疊加。為了保證鋼管應力不過早達到或接近屈服，因此在拱圈外包混凝土澆筑過程中的鋼管應力也是一個需要注意的控制性指標，兩種方案下在一環(huán)和二環(huán)澆筑結束時拱圈各關鍵截面的鋼管應力變化情況如圖6所示。

由圖6可得，一環(huán)和二環(huán)澆筑結束時，兩種方案中拱圈各關鍵截面的鋼管應力變化趨勢基本一致，但方案一的鋼管應力水平基本高于方案二。其中一環(huán)澆筑結束時，方案一的鋼管最大應力為187 MPa，發(fā)生在L/8處的下弦管，方案二的鋼管最大應力為131 MPa，發(fā)生在4L/8的上弦管；二環(huán)澆筑結束時，方案一的鋼管應力最大為221 MPa，發(fā)生在L/8處的下弦管，方案二的鋼管最大應力為174 MPa，發(fā)生在4L/8的上弦管。可以看出，兩種方案在一環(huán)和二環(huán)澆筑完成時鋼管最大應力發(fā)生的位置一致，但方案一的最大應力始終高于方案二最大應力50 MPa左右。這是由于方案一采用多工作面均衡澆筑，單次加載的混凝土濕重荷載很大，造成鋼骨架應力水平增大，而方案二采用的是單工作面澆筑，單次加載的混凝土濕重小，加上前期已澆筑的混凝土逐漸形成剛度和強度，和鋼骨架產生聯(lián)合作用，共同承擔后期施工荷載。

4.3?拱圈變形

拱圈外包澆筑過程中，在沒有其他輔助措施調載的情況下，對勁性骨架的要求較大，因此要對骨架進行變形分析計算，保證在施工過程中拱圈不產生較大的豎向變形。兩種方案下在一環(huán)和二環(huán)澆筑結束時拱圈變形如圖7所示。

由圖7可得，兩種方案在一環(huán)和二環(huán)澆筑結束，拱圈的變形走向基本相同，從拱腳向拱頂依次增加，但方案一的變形位移值均高于方案二。其中一環(huán)澆筑結束時，方案一的最大變形值為363 mm，方案二的最大變形值為286 mm，均是發(fā)生在拱頂位置處；二環(huán)澆筑結束時，方案一的最大變形值為439 mm，方案二的最大變形值為352 mm。兩種情況下方案一均比方案二大80 mm左右，說明采用方案一對骨架結構較為不利，因為過大的變形值可能會導致施工過程中管內混凝土拉應力超限以及拱圈外包混凝土開裂，出現(xiàn)裂縫，也可能導致最終成橋后其拱軸線與理想壓力線偏離更遠，對拱圈受力不利，導致拱腳處混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

5?結語

本文以某特大勁性骨拱橋為工程背景，利用Midas Civil軟件建立了大橋外包混凝土施工仿真模型，分別對比了多工作面和單工作面澆筑方案下拱圈結構的力學行為，提出結論如下：

（1）兩種方案下拱圈外包混凝土的最終應力趨于一致，說明其與施工方法無關。另外，如果采用單工作面澆筑時，需要注意拱圈L/8～2L/8位置處的混凝土應力，使其滿足規(guī)范或設計要求。

（2）多工作面均衡澆筑，由于單次加載混凝土濕重很大，容易造成鋼管應力水平大幅度增加，而單工作面澆筑由于單次加載濕重小以及混凝土和骨架的聯(lián)合作用，其鋼管應力水平較低。

（3）多工作面均衡澆筑下，其拱圈的變形值較大，這樣容易導致管內混凝土拉應力超限以及拱圈外包混凝土開裂，也可能導致最終成橋后其拱軸線與理想壓力線偏離更遠，對拱圈受力不利，導致拱腳處混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

另外，綜合考慮現(xiàn)場施工人員、設備、經濟成本等因素，大橋外包混凝土施工采取方案二“4工作面7工作段”。

［1］陳寶春，何福云，李?聰，等.美蘭法與美蘭拱橋技術發(fā)展綜述［J］.交通運輸工程學報，2022，22（6）：1-24.

［2］吳海軍，王藐民，陸?萍.勁性骨架混凝土拱橋外包混凝土分環(huán)澆筑方案對結構受力的影響［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（11）：1-6.

［3］馬?？?大跨度薄壁箱形拱橋橫截面一次性成型技術探討［J］.鐵道建筑技術，2018（3）：43-45.

［4］楊國靜，徐?勇，黃?毅.大跨度勁性骨架拱橋外包混凝土方案優(yōu)化［J］.鐵道工程學報，2017，34（10）：50-54，82.

［5］王小飛.鐵路大跨度勁性骨架拱橋外包混凝土澆筑方案分析［J］.鐵道建筑，2020，60（5）：11-14，29.