钢管混凝土拱桥施工核心混凝土灌注阶段主拱受力行为及稳定性
期刊: 建筑监督检测与造价 2024年第3期 DOI: PDF下载
摘要
关键词
公路桥梁；钢管混凝土拱桥；有限元分析；静力计算；稳定性分析
正文
钢管混凝土拱桥的拱肋是以受压为主的构件，且一般具有跨径大及宽跨比比较小的特点，因此其稳定性一直以来都是桥梁工程师所关注的问题。在大跨桥梁中，由于跨度一般比较大，所以都必须采用高强度材料，而且由于跨度的增加、承载力大，就要求提高其抗震能力，从而要求结构具有较好的延性和恢复能力。钢管混凝土组合材料用于拱桥中就能很好的满足以上问题。由于钢管混凝土具有很高的承载能力，它可以减少桥梁的自重，可以很大程度上改善大跨度拱桥的抗风能力和抗震能力，在风荷载作用的横向稳定性中，使用钢管混凝土拱桥，则可以根据需要把拱肋做成合理型式的桁架结构，还可以获得拱肋所必须的结构刚度，在保证构件整体稳定性的基础上，使拱肋结构避风面积小，所受风荷载减少，以到达改善桥梁横向稳定性能。
本文依托实际项目通过对钢管混凝土拱桥施工中核心混凝土灌注阶段主拱的受力行为及稳定性进行研究，探求施工过程中需重点关注的内容和部位，分析主拱肋钢管和混凝土两种材料各自承担的应力比例、应力变化幅度以及结构在该阶段最易发生失稳的施工阶段。
1 工程概况
1.1 桥梁概况
一座特大公路桥主桥为1×418m的中承式钢管混凝土拱桥，主桥主拱肋采用四肢桁式钢管混凝土结构，净跨径390m，计算矢跨比为1/4，拱轴系数为1.65。双片拱肋中距31m，肋宽4m，拱顶桁高6.5m，拱脚桁高12m。桥面宽29.5m，吊杆纵向间距为14m。主拱主管钢材拱脚部分采用Q390D，其余钢材采用Q345D，主管管径为φ1200mm，壁厚从拱脚到拱顶分别为34/30/26/24mm。双片拱肋桥面以上采用“△+I”形式横撑。主拱主管及横联钢管内灌注C60自密实补偿收缩混凝土，以泵压法自拱脚向拱顶按纵向三级接力灌注。主桥成桥模型见图1.1.1。
图1.1.1 主桥成桥模型
1.2 施工方法
本桥采用缆索吊装、斜拉扣挂的施工方法，施工体系总体模型见图1.2.1。
图1.2.1 主桥施工体系总体模型
2 计算模型建立
本文拟对施工过程中核心混凝土灌注阶段的主拱进行分析，故仅建立该阶段施工模型。
2.1 荷载
1）恒载：本施工阶段主要考虑结构自重、施工临时荷载。上部结构钢管重度取78.5kN/m³，C60自密实补偿收缩混凝土重度取25kN/m³，施工临时荷载主要为爬梯及泵送管等，取1.3kN/m的线荷载施加。
2）在施工过程中拱肋灌注混凝土阶段（联合前），湿混凝土截面不能承担荷载，故将C60湿混凝土荷载取26 kN/m的线荷载施加。
3）温度作用：按整体升温20℃和整体降温20℃考虑。
4）混凝土收缩徐变：考虑混凝土收缩徐变作用，通过时间依存材料特性的定义来实现，将一般材料特性和时间依存材料特性相连接，将时间依存材料特性赋予相应的材料。
2.2 施工阶段划分
主拱肋合龙成拱后，核心混凝土的灌注采用对称泵送施工。按照施工专项方案，共分为17个施工阶段，钢管编号示意见图2.2.1，施工阶段划分见表2.2-1。
图2.2.1 钢管编号示意图
表2.2-1 施工阶段划分
施工阶段 | 编号 | 施工阶段 | 编号 |
主拱合龙成拱 | CS1 | 5#管灌注（联合前） | CS10 |
1#管灌注（联合前） | CS2 | 5#管灌注（联合后） | CS11 |
1#管灌注（联合后） | CS3 | 6#管灌注（联合前） | CS12 |
2#管灌注（联合前） | CS4 | 6#管灌注（联合后） | CS13 |
2#管灌注（联合后） | CS5 | 7#管灌注（联合前） | CS14 |
3#管灌注（联合前） | CS6 | 7#管灌注（联合后） | CS15 |
3#管灌注（联合后） | CS7 | 8#管灌注（联合前） | CS16 |
4#管灌注（联合前） | CS8 | 8#管灌注（联合后） | CS17 |
4#管灌注（联合后） | CS9 | / | / |
注：“联合前”是指核心混凝土刚浇筑时以外荷载形式存在，不能与钢管联合受力的阶段；“联合后”是指混凝土达到设计强度并与钢管联合受力的阶段。
2.3 有限元模型
采用有限元软件 MIDAS/Civil 建立计算模型，根据本阶段施工情况及设计图纸，将结构离散成2461个节点和4832个单元，均采用梁单元。计算模型简化说明如下。
1）结构线形采用制造线形在成拱松索后实际线形；
2）钢管和混凝土的联合采用重复单元进行；
3）边界条件采用在拱脚处固结。
3 计算结果分析
3.1 变形
随着核心混凝土的灌注，主拱外加荷载不断增加，混凝土灌注阶段主拱变形典型示意图如图3.1.1～3.1.2所示，主拱最大竖向和横向变形如表3.1-1所示。
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图3.1.1 主拱竖向变形 | 图3.1.2 主拱横向变形 |
表3.1-1 混凝土灌注阶段主拱最大竖向变形（mm）
施工阶段 | 最大位移 | 施工阶段 | 最大位移 | ||
竖向 | 横向 | 竖向 | 横向 | ||
CS2 | -125.6 | 23.5 | CS10 | -199.6 | 27.6 |
CS3 | -124.2 | 22.9 | CS11 | -198.4 | 26.6 |
CS4 | -129.3 | -2.7 | CS12 | -198.9 | -2.0 |
CS5 | -128.5 | -2.3 | CS13 | -198.4 | -2.0 |
CS6 | -164.1 | 18.8 | CS14 | -226.5 | 22.1 |
CS7 | -162.7 | 18.1 | CS15 | -225.6 | 21.3 |
CS8 | -168.1 | -3.7 | CS16 | -225.8 | 1.8 |
CS9 | -167.4 | -3.2 | CS17 | -225.9 | 2.0 |
注：表中竖向位移“-”表示向下，横向位移“-”表示沿路线前进方向向右，“+”表示向左。
由上表可知，随着管内混凝土灌注工作进行，主拱最大竖向位移呈递增趋势，最大竖向位移为-226.5mm，最大横向位移为5#管混凝土灌注后（联合前），最大横向位移为27.6mm，满足规范L/4000要求。
3.2 应力
取拱脚、L/4及拱顶处截面为控制截面对核心混凝土灌注阶段进行应力分析。施工阶段应力的计算采用应力叠加法，根据当前阶段控制截面内力计算出当前阶段应力的增量，再与前一阶段应力叠加，得到该阶段应力。核心混凝土硬化后，可通过有限元软件中分别导出钢管和混凝土两种材料的应力。钢管和混凝土应力计算结果见表3.2-1和3.2-2所示。
表3.2-1 钢管应力计算结果（MPa）
施工阶段 | 拱脚 | L/4上弦 | L/4下弦 | 拱顶上弦 | 拱顶下弦 |
CS1 | -63.6 | -37.1 | -32.7 | -37.2 | -34.2 |
CS2 | -87.0 | -55.7 | -53.3 | -56.7 | -47.1 |
CS3 | -85.7 | -55.2 | -49.6 | -56.1 | -46.1 |
CS4 | -88.1 | -55.7 | -51.5 | -58.9 | -48.9 |
CS5 | -87.0 | -55.7 | -51.5 | -58.8 | -48.8 |
CS6 | -103.7 | -72.5 | -65.0 | -72.1 | -61.4 |
CS7 | -103.0 | -69.9 | -64.5 | -71.6 | -61.0 |
CS8 | -104.6 | -70.6 | -66.1 | -73.6 | -62.5 |
CS9 | -104.2 | -70.6 | -66.0 | -73.5 | -62.5 |
CS10 | -118.3 | -80.1 | -75.6 | -87.9 | -73.2 |
CS11 | -118.3 | -79.8 | -75.3 | -87.4 | -72.9 |
CS12 | -118.2 | -79.8 | -75.7 | -88.3 | -73.7 |
CS13 | -117.8 | -79.9 | -75.7 | -88.4 | -73.7 |
CS14 | -130.3 | -87.6 | -83.8 | -100.0 | -82.6 |
CS15 | -129.9 | -87.3 | -83.5 | -99.8 | -82.3 |
CS16 | -130.6 | -88.0 | -84.2 | -101.0 | -83.3 |
CS17 | -130.7 | -88.0 | -84.3 | -101.0 | -83.3 |
注：表中应力“-”表示受压，“+”表示受拉。
表3.2-2 混凝土应力计算结果（MPa）
施工阶段 | 拱脚 | L/4上弦 | L/4下弦 | 拱顶上弦 | 拱顶下弦 |
CS2 | / | / | / | / | / |
CS3 | -0.99 | / | 0.78 | / | 0.05 |
CS4 | 0.98 | / | 0.82 | / | 0.12 |
CS5 | 0.97 | / | 0.81 | / | 0.12 |
CS6 | -2.24 | / | -2.09 | / | -1.29 |
CS7 | -2.25 | 0.78 | -2.09 | 0.01 | -1.30 |
CS8 | -2.26 | 0.85 | -2.16 | 0.10 | -1.36 |
CS9 | -2.25 | 0.84 | -2.15 | 0.10 | -1.34 |
CS10 | -3.63 | -1.83 | -3.41 | -1.52 | -2.57 |
CS11 | -3.60 | -1.81 | -3.38 | -1.49 | -2.53 |
CS12 | -3.50 | -1.76 | -3.30 | -1.48 | -2.49 |
CS13 | -3.49 | -1.75 | -3.29 | -1.46 | -2.48 |
CS14 | -4.60 | -2.73 | -4.33 | -2.83 | -3.50 |
CS15 | -4.55 | -2.69 | -4.28 | -2.78 | -3.45 |
CS16 | -4.48 | -2.65 | -4.22 | -2.77 | -3.43 |
CS17 | -4.47 | -2.64 | -4.21 | -2.76 | -3.42 |
注：表中应力“-”表示受压，“+”表示受拉。
按照JTG/T D65‐06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》7. 3. 2进行施工阶段应力限值计算。由表5、表6可知：主拱钢管最大初应力σ0=130.7MPa＜0.65fsd=0.65×335=217.75MPa，fsd为钢管的强度设计值，本阶段钢管最大应力满足规范要求。钢管最大应力位于拱脚位置，发生在核心混凝土灌注完成后（联合后）阶段。通过进一步分析，在钢管和混凝土联合受力后，钢管和混凝土最大应力均为压应力，各施工阶段钢管应力约为混凝土应力的7倍，且钢管应力变化幅度大于混凝土应力变化幅度。
3.3 稳定性
钢管混凝土拱桥施工核心混凝土灌注阶段，荷载施加较大且迅速，比较容易发生失稳，根据JTG/T D65‐06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》5.9.1要求，采用 MIDAS/Civil 有限元分析软件对钢管混凝土主拱进行整体弹性稳定分析。经计算分析，主拱在1#主管混凝土灌注（联合前）阶段，一阶临界荷载系数（即弹性稳定系数）为26.9，主拱在5#主管混凝土灌注（联合前）阶段，一阶临界荷载系数（即弹性稳定系数）为16.5，主拱在8#主管混凝土灌注（联合后）阶段，一阶临界荷载系数（即弹性稳定系数）为14.0，均远大于规范要求的4.0，说明该阶段稳定性满足要求。主拱混凝土灌注阶段屈曲模态如图3.3.1所示。
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（a）一阶失稳模态（俯视） | （b）一阶失稳模态（立面） |
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（c）二阶失稳模态（俯视） | （d）二阶失稳模态（立面） |
图3.3.1 主拱核心混凝土灌注阶段屈曲模态
4 结论及建议
1）核心混凝土灌注阶段，主拱最大竖向位移呈递增趋势，最大竖向位移为-226.5mm，最大横向位移为5#管混凝土灌注后（联合前），最大横向位移为27.6mm，满足规范L/4000要求。
2）主拱钢管最大初应力σ0=130.7MPa＜0.65fsd=0.65×335=217.75MPa，fsd为钢管的强度设计值，本阶段钢管最大应力满足规范要求。
3）核心混凝土灌注阶段，主拱稳定系数均远大于4.0，满足规范要求。
综合以上计算分析，得出了本桥在核心混凝土灌注阶段主拱的最不利条件，建议在施工中针对变形和应力进行重点监测，为桥梁安全高质量建设提供保障。
参考文献
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