趙胤儒，朱克兆

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010)

隨著高強(qiáng)度材料和先進(jìn)施工技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋也相繼出現(xiàn)。勁性骨架在拱橋施工過(guò)程中主要為澆筑拱肋混凝土提供支架，其次也是拱圈的主要受力構(gòu)件。拱橋拱肋截面在施工過(guò)程中不斷變化，且截面的受力也不斷變化，因此拱肋外包混凝土澆筑期間的穩(wěn)定性是整個(gè)工程成功的主要保證。本文以烏江彭水電站的茶林坪烏江大橋?yàn)槔?，探討其施工過(guò)程中的穩(wěn)定計(jì)算，同時(shí)利用穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)施工。

1 結(jié)構(gòu)概況

茶林坪烏江大橋是一座鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。一跨跨越主河槽，計(jì)算跨徑為150 m，凈跨徑為147.42 m，矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)m=1.347，拱肋為等截面鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，拱肋截面高3.0 m、寬2.0 m，箱型斷面頂、底、腹板均厚37 cm，內(nèi)壁上下梗脅尺寸為20 cm×20 cm，鋼管內(nèi)混凝土采用C50微膨脹混凝土，外包混凝土采用普通C50混凝土。其橋型布置圖如圖1。

圖1 彭水茶林坪烏江大橋橋型布置圖

設(shè)計(jì)初期對(duì)該地形邊界特征進(jìn)行過(guò)剛構(gòu)橋、鋼管混凝土拱橋、鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋勁性進(jìn)行了對(duì)比，綜合烏江的通航和兩岸交通的銜接和減小橋梁后期的維護(hù)費(fèi)用，決定采用鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。勁性骨架采用299×12的Q345C鋼管，鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。勁性骨架安裝架設(shè)后，在骨架上懸掛模板分為5個(gè)工作面多個(gè)階段對(duì)稱澆筑勁性骨架外包混凝土，待先澆混凝土達(dá)到一定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度后作為承載結(jié)構(gòu)的一部分，與鋼管混凝土骨架共同承受后澆的各部分混凝土的重量。

本橋由于在澆筑外包混凝土?xí)r受混凝土模板和工序的影響，成橋拱肋彎矩主要由拱肋的頂、底板承受。為保證頂、底板澆筑的質(zhì)量，拱肋頂、底板混凝土須一次澆筑完成，腹板可以采用一次或者多次澆筑完成。本橋的施工順序大體為[1]:吊裝鋼管節(jié)段→安裝索扣和抗風(fēng)索→安裝永久橫撐和臨時(shí)橫撐→安裝合龍段→鋼管合龍→拱腳混凝土封鉸→灌注鋼管內(nèi)混凝土→拆除臨時(shí)橫撐→釋放扣索和抗風(fēng)索→澆筑箱型拱肋底板混凝土→澆筑箱型拱肋腹板混凝土→澆筑箱型拱肋頂板混凝土→安裝吊桿、橫梁→安裝橋面縱梁→安裝橋面附屬結(jié)構(gòu)→驗(yàn)收竣工。整個(gè)施工過(guò)程的穩(wěn)定控制主要是拱肋在施工過(guò)程中的穩(wěn)定，一旦結(jié)構(gòu)斷面確定，能影響施工過(guò)程的穩(wěn)定主要在于腹板的澆筑方式，因此本文設(shè)計(jì)了三種不同的腹板澆筑情況，并計(jì)算出相應(yīng)方案施工過(guò)程的穩(wěn)定安全系數(shù)，獲得最佳的施工方案。三種不同腹板澆筑順序示意圖如圖2。

圖2 三種不同腹板澆筑順序示意圖

2 穩(wěn)定分析理論

(1)按照彈性穩(wěn)定理論，結(jié)構(gòu)在臨界荷載作用下的平衡方程為:

式中:[Ko]為結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣;[KNL]為結(jié)構(gòu)幾何剛度矩陣。

利用幾何剛度求解歐拉穩(wěn)定性的問(wèn)題，歸結(jié)為求解一個(gè)廣義特征值的問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)為:K=Nu/N0

其中:Nu為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力;N0為結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)最不利組合對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

(2)非線性穩(wěn)定理論，結(jié)構(gòu)在臨界荷載作用下的平衡方程為:

式中:[Ko]為結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣;[KNL]為結(jié)構(gòu)幾何剛度矩陣;[KLD]為結(jié)構(gòu)大位移產(chǎn)生的剛度矩陣。

非線性有限元必須采用增量法求解極值穩(wěn)定性，即:

結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的總荷載可以表示為:

式中:{Pcr}為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的總荷載;{Po}為此階段開(kāi)始施工之前的結(jié)構(gòu)自重;{P1}為施工階段的活荷載;λ為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)相對(duì)于{Pa}施加倍數(shù)，{Pa}為假設(shè)荷載。

穩(wěn)定安全系數(shù)K定義為:K=(Pd+λP1)/(Pd+P1)

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

由西南交通大學(xué)[2]、[3]和重慶交通學(xué)院[4]的研究成果，對(duì)勁性骨架混凝土結(jié)構(gòu)，骨架上、下弦桿的鋼管混凝土、腹桿、平聯(lián)采用空間梁?jiǎn)卧x散，頂、底和腹板采用板殼單元離散。澆筑混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，將其混凝土重量以荷載形式作用于弦桿上;當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，按照板梁的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，鋼管混凝土采用兩種不同材料組成的聯(lián)合截面。推薦方案全橋有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 方案二計(jì)算模型圖

拱肋腹板三種不同澆筑方案的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 拱肋腹板三種澆筑方案的穩(wěn)定安全系數(shù)

以上表格數(shù)據(jù)的施工階段從拱腳混凝土封鉸開(kāi)始，一直到附屬結(jié)構(gòu)安裝結(jié)束。三種方案的穩(wěn)定安全系數(shù)的分支點(diǎn)位于不同腹板澆筑，從施工過(guò)程中的穩(wěn)定安全系數(shù)知，方案一在澆筑箱拱外包混凝土?xí)r穩(wěn)定安全系數(shù)離散較大，方案二和方案三較為均勻。

三種不同腹板澆筑方案中，方案一的每次澆筑腹板混凝土量大約為1.8倍底板混凝土量，方案二中每次澆筑腹板的混凝土量大約為0.9倍底板混凝土量，方案三中每次澆筑腹板的混凝土量大約為0.6倍底板混凝土量。

經(jīng)過(guò)對(duì)比知:方案一的工期是比較短，但是澆筑外包混凝土過(guò)程中的穩(wěn)定安全系數(shù)比較低，最不利的情況出現(xiàn)在澆筑腹板過(guò)程中，僅有2.5;方案二的工期較方案一長(zhǎng)，但是澆筑外包混凝土過(guò)程中的穩(wěn)定安全系數(shù)較方案一明顯提高，最不利的情況出現(xiàn)在澆筑下腹板過(guò)程中，其安全系數(shù)為3.7;方案三的工期較方案一和方案二更長(zhǎng)，最不利的情況出現(xiàn)在澆筑底板混凝土，其穩(wěn)定安全系數(shù)為3.9。方案一和方案二腹板澆筑的穩(wěn)定安全系數(shù)均小于澆筑底板時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)(K=3.9)，方案三腹板澆筑的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于澆筑底板時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)，方案三澆筑腹板過(guò)程中的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為4.3(大于3.9)，由此可知腹板澆筑混凝土方量次數(shù)不能再多于方案三的腹板澆筑次數(shù)。

由于該橋的施工特點(diǎn)為箱肋頂、底板混凝土必須一次澆筑完成，三種方案中方案二在施工過(guò)程中的最小穩(wěn)定安全系數(shù)的偏離最小(與澆筑底板時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)相差約為5%)，綜合施工工序復(fù)雜程度、工期和施工過(guò)程中穩(wěn)定性的要求，最終推薦方案二為實(shí)際施工方案。

4 結(jié)論

(1)下承式鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋的拱肋多為單箱單室截面，由于外包混凝土模板和工序的影響，其外包混凝土頂、底板混凝土需要一次澆筑完成，從而影響拱肋在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在拱肋外包混凝土腹板的澆筑方式上。

(2)腹板混凝土澆筑應(yīng)采用多次澆筑，并且要求前一階段澆筑混凝土達(dá)到強(qiáng)度后才能繼續(xù)澆筑后一階段的混凝土。

(3)腹板混凝土澆筑方量盡量與底板混凝土澆筑方量相當(dāng)，從而避免穩(wěn)定安全系數(shù)偏小，同時(shí)也應(yīng)避免澆筑方量太少增加施工工序從而增加工期。

(4)本橋在施工過(guò)程中的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為3.7，但成橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)為6.8，滿足工程中穩(wěn)定系數(shù)不小于4的要求。

[1]四川省交通廳，萬(wàn)縣長(zhǎng)江公路大橋技術(shù)總結(jié)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，2001

[2]趙雷，張金平.大跨度鋼筋混凝土拱橋施工階段穩(wěn)定性分析的非線性問(wèn)題[J].四川建筑科學(xué)研究，1995(4)

[3]謝尚英，錢冬生.勁性骨架混凝土拱橋施工階段的非線性穩(wěn)定分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000(1)

[4]顧安邦，王榮，劉湘江，等.大跨度鋼管混凝土勁性骨架肋拱橋的穩(wěn)定性研究[C]//中國(guó)公路學(xué)會(huì)2001年學(xué)術(shù)交流論文集，2001

[5]楊炳成，鄔剛?cè)幔瑒?大跨徑鋼管混凝土勁性骨架非線性分析[J].橋梁建設(shè)，2006(1)