何 磊，徐 岳，張昊男，孫 鵬，王世棟

(長安大學，陜西 西安 710064)

鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越、造型優(yōu)美，已在我國大量建造使用[1]。鋼管混凝土系桿拱橋通過在鋼管內(nèi)填充混凝土形成復(fù)合材料拱肋，是一種以拱肋、吊桿、系桿及橫梁為主要受力構(gòu)件的組合結(jié)構(gòu)體系橋梁[2]。鋼管混凝土系桿拱橋拱肋單肢一般由多管單鋼管焊接形成組合截面[3]。在施工過程中，根據(jù)施工現(xiàn)場澆注水平，鋼管混凝土系桿拱橋拱肋混凝土澆注可分為對稱整體澆注、逐根澆注等不同的澆注順序。不同的混凝土澆注方案對拱肋的受力、穩(wěn)定以及拱軸線變形有很大影響。因此，有必要對鋼管混凝土系桿拱橋拱肋混凝土的合理澆注順序進行設(shè)計分析[4-6]。

1 分析方法

1.1 工程概況

實例工程為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，計算跨徑96 m，矢跨比1/5，矢高19.2 m，拱軸線為二次拋物線；系梁采用箱形截面，梁高2.0 m，寬2.4 m；吊桿間距均為5.0 m，共16根，吊桿外包鋼套管；風撐采用5道一字型鋼管風撐，2道K字風撐；行車道板采用25 cm厚實心板，模型如圖1所示。為方便分析兩拱肋應(yīng)力情況，將橋梁拱肋兩肢分為內(nèi)側(cè)拱肋和外側(cè)拱肋。下管1和上管3構(gòu)成內(nèi)側(cè)拱肋，下管2和上管4構(gòu)成外側(cè)拱肋，拱肋截面形式如圖2所示。

圖1 拱肋內(nèi)外側(cè)示意圖

圖2 啞鈴型拱肋截面示意圖

1.2 研究方法

針對實例工程鋼管混凝土系桿拱橋拱肋截面型式(圖2)，可制訂以下四套拱肋混凝土澆注方案，其中每澆注鋼管混凝土過程分為混凝土澆注(該過程混凝土并未形成強度，只施加結(jié)構(gòu)重力)和管內(nèi)混凝土達到設(shè)計強度兩個階段：

方案一：對稱澆注拱肋下管1、2混凝土→待拱肋下管1、2混凝土達到設(shè)計強度→對稱澆注拱肋上管3、4混凝土。

方案二：對稱澆注拱肋上管3、4混凝土→待拱肋上管3、4混凝土達到設(shè)計強度→對稱澆注拱肋下管1、2混凝土。

由于每根鋼管需要澆注的混凝土數(shù)量較大，施工現(xiàn)場可能受機械設(shè)備、材料人員的限制，只能單獨澆注每根鋼管，因此，便有方案三和方案四：

方案三：先澆注拱肋下管1混凝土→待下管1混凝土達到設(shè)計強度后澆注拱肋下管2混凝土→待拱肋下管混凝土2達到設(shè)計強度后澆注拱肋上管3混凝土→待上管3混凝土達到設(shè)計強度后澆注拱肋上管4混凝土。

方案四：先澆注拱肋上管3混凝土→待上管3混凝土達到設(shè)計強度后澆注拱肋上管4混凝土→待拱肋上管4混凝土達到設(shè)計強度后澆注拱肋下管1混凝土→待下管1混凝土達到設(shè)計強度后澆注拱肋下管2混凝土。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，通過比較拱肋混凝土不同澆注順序?qū)皹蚋髦饕獦?gòu)件(鋼管拱肋、角鋼系桿)應(yīng)力、變形的影響，可得設(shè)計實例拱肋混凝土的合理澆注順序[7]。

2 拱肋應(yīng)力計算結(jié)果及分析

各施工方案在施工過程中，啞鈴形鋼管拱肋關(guān)鍵截面(拱腳、L/8、L/4、3L/8以及拱頂)應(yīng)力計算結(jié)果見表1～6。澆注方案三和澆注方案四為逐個澆注四根鋼管，施工過程中存在拱肋發(fā)生彎扭，導(dǎo)致兩側(cè)拱肋應(yīng)力不同的情況，故應(yīng)關(guān)注方案三和方案四在澆注過程中兩側(cè)拱肋的應(yīng)力變化。

(1)四種澆注方案各施工階段啞鈴型鋼管拱肋壓應(yīng)力最大值均小于壓應(yīng)力限值137.5 MPa，滿足限值要求。

(2)澆注方案一和方案二拱肋各關(guān)鍵截面在施工階段應(yīng)力變化趨勢相似，且應(yīng)力變化幅度較小。

(3)澆注方案一拱頂截面和3L/8截面應(yīng)力變化幅度很小，最大應(yīng)力相差值為1.8 MPa。

表1 澆注方案一啞鈴形鋼拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力表 (單位：MPa)

注:表中正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力

表2 澆注方案二啞鈴型鋼拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力表 (單位：MPa)

注:表中正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力

表3 澆注方案三外側(cè)啞鈴型鋼拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力表 (單位：MPa)

注:表中正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力

表4 澆注方案三內(nèi)側(cè)啞鈴型鋼拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力表 (單位：MPa)

注:表中正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力

表5 澆注方案四外側(cè)啞鈴型鋼拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力表 (單位：MPa)

注:表中正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力

表6 澆注方案四內(nèi)側(cè)啞鈴型鋼拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力表 (單位：MPa)

注:表中正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力

綜上所述，在混凝土澆注過程中，不同的澆注順序會對啞鈴型鋼拱肋的受力造成影響，但通過計算，結(jié)果表明拱肋受力始終處于安全狀態(tài)。方案一為先澆注拱肋下管混凝土后澆注拱肋上管混凝土，在澆注拱肋上管混凝土時，拱肋下管混凝土已與鋼管產(chǎn)生聯(lián)合作用，形成的剛度較大，各關(guān)鍵截面處應(yīng)力變化幅度較小，更為合理。

3 拱肋變形計算結(jié)果及分析

3.1 拱肋撓度

在鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土澆注過程中，結(jié)構(gòu)屬于柔性體系，撓度較大，因此以澆注過程中拱頂撓度值作為評價指標之一，計算結(jié)果見表7～10。

表7 澆注方案一拱頂撓度表 (單位：mm)

注:撓度負值表示向下

表8 澆注方案二拱頂撓度表 (單位：mm)

注:撓度負值表示向下

表9 澆注方案三拱頂撓度表 (單位：mm)

注:撓度負值表示向下

表10 澆注方案四拱頂撓度表 (單位：mm)

注:撓度負值表示向下

四種澆注方案拱頂截面豎向位移變化如圖3所示。為同時對比四個澆注方案拱頂截面豎向位移的變化情況，將每種澆注方案都細分為9個階段。

由表7～10及圖3可知，在施工過程中，方案一拱頂截面豎向位移最大差值為31.3 mm，方案二拱頂截面豎向位移最大差值為29.8 mm；方案三內(nèi)側(cè)拱肋拱頂截面豎向位移最大差值為29.5 mm，外側(cè)拱肋拱頂截面豎向位移最大差值為31.0 mm；方案四內(nèi)側(cè)拱肋拱頂截面豎向位移最大差值為27.9 mm，外側(cè)拱肋拱頂截面豎向位移最大差值為29.5 mm。

圖3 各澆注方案拱肋拱頂截面豎向位移變化對比圖

綜上所述，在澆注過程中四種澆注方案拱肋拱頂豎向位移變化趨勢相似，最大差值相近，且拱肋豎向位移均滿足限值要求。

3.2 拱肋橫向變形

由于方案三與方案四中兩側(cè)拱肋混凝土并非同時澆注，因此，需要考慮到單側(cè)混凝土澆注對鋼管拱肋橫向變形產(chǎn)生的影響。通過有限元分析計算，提取拱肋混凝土澆注過程中拱肋關(guān)鍵截面橫向變形值，計算結(jié)果見表11～13。

根據(jù)表11～13可知，在拱肋五個關(guān)鍵截面中，拱頂截面的橫向位移最大，因此僅比較四種澆注方案拱頂截面橫向位移變化。為同時對比四個澆注方案拱頂截面豎向位移的變化情況，將每種澆注方案都細分為9個階段，如圖4所示。

由表11～13及圖4分析可知，方案一與方案二橫向變形相同，在各個施工階段中，L/8截面橫向位移最大，均為0.1 mm；方案三內(nèi)外側(cè)拱肋在澆注下拱肋1號管時，拱頂橫向位移最大，為18.7 mm；方案四內(nèi)側(cè)拱肋在澆注上拱肋3號管時，拱頂橫向位移最大，為18.7 mm。方案三與方案四內(nèi)外側(cè)拱肋橫向位移在拱頂截面相同，在其余截面不同，且越靠近拱腳，差異越大。

表11 澆注方案一：拱肋關(guān)鍵截面橫向變形表 (單位：mm)

注:表中正值表示向內(nèi)側(cè)拱肋方向移動，負值表示向外側(cè)拱肋方向移動

表12 澆注方案二：拱肋關(guān)鍵截面橫向變形表 (單位：mm)

注:表中正值表示向內(nèi)側(cè)拱肋方向移動，負值表示向外側(cè)拱肋方向移動

表13 澆注方案三：拱肋關(guān)鍵截面橫向變形表 (單位：mm)

注:表中正值表示向內(nèi)側(cè)拱肋方向移動，負值表示向外側(cè)拱肋方向移動

表14 澆注方案四：拱肋關(guān)鍵截面橫向變形表 (單位：mm)

注:表中正值表示向內(nèi)側(cè)拱肋方向移動，負值表示向外側(cè)拱肋方向移動

圖4 各澆注方案拱肋拱頂截面橫向位移變化對比圖

雖然四種方案的橫向位移均滿足規(guī)范規(guī)定的限值L/5 000=19.2 mm，然而本文所選取的五個拱肋截面并不能反映拱肋澆注過程中實際橫向變形最大值，實際上，橫向變形最大值已經(jīng)超過了限值19.2 mm的要求。但如圖4所示，方案三和方案四在澆注單側(cè)拱肋時橫向位移不滿足規(guī)范要求，在澆注另一側(cè)拱肋時，可以抵消掉上一階段的不利影響，將拱肋“拉回”到設(shè)計位置，因此當混凝土澆注完畢后，啞鈴型鋼管拱肋的橫向位移最終是滿足要求的。

綜上所述，四種澆注方案中啞鈴型鋼拱肋的橫向變形均滿足要求。其中，方案一和方案二的橫向變形很小，方案三和方案四的橫向變形變化幅度大，因此方案一、方案二在拱肋橫向變形方面優(yōu)于方案三、方案四。

4 結(jié)語

本文提出了鋼管混凝土系桿拱橋的拱肋混凝土澆注順序設(shè)計原理與分析方法，并針對設(shè)計實例進行了應(yīng)用，對比分析了不同澆注順序?qū)Ω髦饕獦?gòu)件應(yīng)力、變形的影響，結(jié)果表明：方案一相對于其他三種澆注方案而言，鋼管拱肋最大應(yīng)力及拱肋橫向變形均較小，應(yīng)力受混凝土澆注影響較小，施工階段穩(wěn)定性高，角鋼系桿應(yīng)力水平較低。因此，可作為鋼管混凝土系桿拱橋拱肋混凝土的合理澆注順序，可供同類橋梁設(shè)計、施工參考。

若因現(xiàn)場拱肋鋼管混凝土泵送條件限制，不能同時進行兩根鋼管混凝土澆注，方案三、方案四也是可行的。

[1]崔鳳坤，徐 岳，董峰輝.鋼管混凝土系桿拱橋整體吊裝工法吊點研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2015(2)：384-387.

[2]王 劍，李青寧.鋼管混凝土拱橋灌注仿真分析[C].全國結(jié)構(gòu)工程學術(shù)會議，2009.

[3]曹颯颯.大跨徑鋼管混凝土拱橋仿真計算與控制[D].西安：長安大學，2008.

[4]高 舫.鋼管混凝土系桿拱橋施工[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(14)：63.

[5]范再興.鋼管混凝土拱橋施工方面的研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2011(11)：127-129，133.

[6]邰扣霞，張佐安，丁大鈞.我國鋼管混凝土拱橋建設(shè)[J].橋梁建設(shè)，2007(4)：65-69.

[7]項影明.鋼管混凝土系桿拱施工過程的控制[J].鐵道建筑，2010(10)：17-18.