沈興誼，楊 軍，肖海波

（寧波城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315012）

鋼管拱肋混凝土灌注過(guò)程計(jì)算分析

沈興誼，楊 軍，肖海波

（寧波城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315012）

鋼管拱肋在灌注混凝土的過(guò)程中，鋼管應(yīng)力及變形會(huì)隨著灌注過(guò)程發(fā)生變化，如灌注過(guò)程未進(jìn)行有效控制，可能會(huì)使拱肋局部構(gòu)件應(yīng)力、變形過(guò)大，從而影響最終橋梁總線形、承載能力及耐久性。針對(duì)此問(wèn)題，介紹了鋼管混凝土灌注過(guò)程中荷載計(jì)算及分析方法，并對(duì)金盤大橋鋼管混凝土灌注進(jìn)行了分析。

鋼管拱肋；混凝土灌注；計(jì)算分析

0　引言

鋼管混凝土是將混凝土填充到鋼管內(nèi)形成的一種組合結(jié)構(gòu)材料。這種材料具有承載力高、塑性韌性好、施工方便、耐火性能和經(jīng)濟(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，工程上常應(yīng)用于房屋建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中，其中在橋梁上主要應(yīng)用于拱橋。將鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋中，在力學(xué)性能、施工、經(jīng)濟(jì)以及美觀等方面，表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，促進(jìn)了拱橋的發(fā)展。

鋼管混凝土拱橋的發(fā)展迅猛，但其相應(yīng)的理論研究比較滯后，比如脫空問(wèn)題及初始應(yīng)力問(wèn)題都還缺乏深入的研究。脫空問(wèn)題主要是混凝土收縮以及外界溫度的變化，將使鋼管混凝土拱肋在拱頂出現(xiàn)鋼管與混凝土不密貼的現(xiàn)象；初始應(yīng)力問(wèn)題主要是鋼管混凝土拱橋采用自架設(shè)方法，先完成拱肋的安裝、合攏，然后澆注管內(nèi)混凝土，在形成鋼管混凝土之前，鋼管中集聚了初始應(yīng)力，這種初始狀態(tài)對(duì)鋼管混凝土拱橋成橋后的拱肋線形及極限承載力均有影響［1］。本文以金盤大橋?yàn)閷?shí)例，對(duì)鋼管拱肋混凝土灌注過(guò)程中拱肋的初始應(yīng)力和變位進(jìn)行計(jì)算分析。

1　鋼管混凝土灌注過(guò)程中荷載計(jì)算及分析方法

混凝土通常為可流動(dòng)液態(tài)，它的力學(xué)性質(zhì)介于液體和固體之間，既能傳遞液壓力，又能傳遞剪力和摩擦力。在鋼管內(nèi)灌注混凝土的分析研究中，可以忽略液態(tài)混凝土的剛度影響，直接把它當(dāng)作外加荷載作用在鋼管拱上，混凝土自重荷載的法向分力全部由鋼管拱肋承擔(dān)，自重荷載沿拱軸切向分力則由鋼管和混凝土自身共同承擔(dān)，鋼管所承擔(dān)切向分力的大小為兩者之間的摩擦力［2］。

鋼管混凝土灌注過(guò)程中荷載分配方式實(shí)際上分成三部分：液態(tài)混凝土的自身重量，混凝土對(duì)鋼管壁的液壓力以及混凝土和鋼管之間的摩擦力。實(shí)際工程施工過(guò)程中不可能實(shí)現(xiàn)在混凝土灌注的瞬時(shí)對(duì)所有鋼管的應(yīng)力和變形進(jìn)行觀測(cè)，只考慮混凝土灌注到某一階段停止時(shí)的受力變化，因此不考慮兩者之間的摩擦力作用［3］。

目前，常用的鋼管混凝土拱橋施工階段的計(jì)算分析方法有：倒拆分析法、正裝分析法和無(wú)應(yīng)力狀態(tài)施工法。這三種方法都有各自適用范圍［4］。

倒拆分析法無(wú)法對(duì)與時(shí)間相關(guān)的因素進(jìn)行分析計(jì)算，比如混凝土的收縮徐變等，因而進(jìn)行倒拆分析時(shí)無(wú)法考慮時(shí)間效應(yīng)。正裝分析法是指按照橋梁施工過(guò)程的順序來(lái)計(jì)算的方法。其表現(xiàn)是，隨著施工的往前推進(jìn)，結(jié)構(gòu)形式、荷載和邊界條件等也在不斷發(fā)生變化，因此把前一個(gè)橋梁階段狀態(tài)當(dāng)作本次施工階段分析的基礎(chǔ)。無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法是以成橋構(gòu)件的幾何參數(shù)如無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和無(wú)應(yīng)力曲率等作為施工控制量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)成橋目標(biāo)的逼近。現(xiàn)階段對(duì)于鋼管混凝土拱橋施工過(guò)程的計(jì)算分析通常是采用正裝分析法。

2　工程概論及鋼管混凝土灌注分析

金盤大橋設(shè)計(jì)采用中承式鋼管混凝土拱橋+上承式鋼筋混凝土連拱結(jié)構(gòu)，全橋長(zhǎng)403.04 m，主跨為單跨80 m中承式鋼管混凝土拱橋，拱肋高19 m，北側(cè)與5跨等截面鋼筋混凝土連拱橋相連，南側(cè)與4跨等截面鋼筋混凝土連拱橋相連；主拱圈采用矩形鋼管混凝土截面，拱肋高2.2 m，寬1.6 m。拱圈采用Q345qc鋼，在距拱腳6.8 m范圍以下拱圈鋼板壁厚34 mm，其余范圍內(nèi)拱圈鋼板壁厚20 mm，拱圈內(nèi)填充C55微膨脹混凝土，施工時(shí)采用分段接力泵送。圖1為主橋立面布置圖。

圖1　主橋立面布置圖（單位：cm）

鋼管內(nèi)混凝土頂升過(guò)程中，把混凝土作為沒(méi)有剛度的液態(tài)，換算成荷載作用在空鋼管之上，灌注過(guò)程是先從拱腳頂升至11 m高度，再?gòu)?1 m高度處頂升混凝土至合攏，兩端對(duì)稱進(jìn)行。下面分別列出拱腳上緣和下緣、L/4拱肋上緣和下緣，拱頂上緣和下緣在混凝土從拱腳頂升到拱頂?shù)倪^(guò)程中的應(yīng)力變化情況，以及L/8、L/4、3L/8拱肋和拱頂在混凝土從拱腳頂升到拱頂?shù)倪^(guò)程中的位移變化情況。

鋼管內(nèi)混凝土灌注過(guò)程按照高度方向每一米作為一個(gè)施工步驟，采用MidasCivil軟件建模仿真分析，拱腳處、L/4拱肋處及拱頂處上下翼緣應(yīng)力變化情況如圖2～圖7所示。

圖2　拱腳處上翼緣混凝土灌注過(guò)程應(yīng)力圖

圖3　拱腳處下翼緣混凝土灌注過(guò)程應(yīng)力圖

圖4　L/4拱肋處上翼緣混凝土灌注過(guò)程應(yīng)力圖

圖5　L/4拱肋處下翼緣混凝土灌注過(guò)程應(yīng)力圖

圖6　拱頂處上翼緣混凝土灌注過(guò)程應(yīng)力圖

圖7　拱頂處下翼緣混凝土灌注過(guò)程應(yīng)力圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知，在混凝土灌注的過(guò)程中，拱肋各處應(yīng)力變化比較復(fù)雜，應(yīng)力的分布也不均，混凝土從拱腳頂升到拱頂?shù)倪^(guò)程中，對(duì)有些截面來(lái)說(shuō)是加載，對(duì)另一些截面來(lái)說(shuō)就是卸載。

L/8、L/4、3L/8拱肋和拱頂在混凝土從拱腳頂升到拱頂?shù)倪^(guò)程中的位移變化情況如圖8～圖11所示。

圖8　拱肋L/8處混凝土灌注過(guò)程位移圖

圖9　拱肋L/4處混凝土灌注過(guò)程位移圖

圖10　拱肋3L/8處混凝土灌注過(guò)程位移圖

進(jìn)過(guò)計(jì)算分析可知，在混凝土灌注的過(guò)程中，拱肋各處位移變化也不是線性增加或減少的，隨著混凝土從拱腳頂升到拱頂?shù)倪^(guò)程中，拱肋各處的位移均是先增后減。

圖11　拱頂處混凝土灌注過(guò)程位移圖

3　結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土拱橋在混凝土灌注期間只有鋼管拱肋參與受力，鋼管混凝土灌注養(yǎng)護(hù)后，混凝土和鋼管協(xié)同參與受力，混凝土灌注階段鋼管初始應(yīng)力和初始位移會(huì)影響最后成橋的線形、極限承載能力及耐久性?；炷凉嘧⑦^(guò)程的計(jì)算分析，可精確掌握拱肋各個(gè)部位的應(yīng)力和位移隨著灌注過(guò)程變化，有助于工程施工控制及拱肋初始狀態(tài)的設(shè)計(jì)。

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］張治成.鋼管混凝土拱橋混凝土灌注階段的受力仿真分析［J］.工程力學(xué).2007，24（2）：146-153.

［3］張治成.鋼管混凝土拱橋混凝土灌注階段的受力仿真分析［J］.工程力學(xué).2007，24（2）：146-153.

［4］徐君蘭.大跨度橋梁施工控制［M］.北京:人民交通出版社，1999.

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1009-7716（2016）06-0143-03

2016-02-18

沈興誼（1974-），男，浙江臺(tái)州人，高級(jí)工程師，副總經(jīng)理，從事市政道路橋梁設(shè)計(jì)工作。