韋有波

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 河北唐山 063000）

1 引言

鋼管混凝土拱橋?qū)儆谧约茉O(shè)體系，先進(jìn)行空鋼管的架設(shè)再進(jìn)行管內(nèi)混凝土灌注。在混凝土灌注期間，不同灌注順序下拱肋形狀以及鋼管應(yīng)力的變化均不同。謝肖禮、秦榮［1］等針對(duì)具體混凝土灌注工程中發(fā)生的爆管事故進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力在腹板與弦管連接處的數(shù)值最大。陳寶春［2］通過(guò)設(shè)置不同的灌注工況來(lái)模擬不同的灌注順序，得出混凝土的灌注順序?qū)袄呓孛鎽?yīng)力的影響較大的結(jié)論。邱文亮［3］等對(duì)拱橋混凝土灌注過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用先下弦管后上弦管的灌注順序拱肋穩(wěn)定性較高。杜迎東［4］針對(duì)不合理的灌注順序所產(chǎn)生的弊端，提出通過(guò)調(diào)整吊桿索力進(jìn)行優(yōu)化和解決。

鋼管拱肋混凝土灌注是鋼管混凝土拱橋施工過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［5］，合理的灌注順序能使拱肋鋼管的變形和應(yīng)力變化均勻［6］。本文以成貴高鐵控制性工程西溪河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃\(yùn)用有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)不同灌注順序下拱肋鋼管的變形以及應(yīng)力變化情況進(jìn)行研究分析。

2 工程概況

西溪河大橋是我國(guó)高鐵建設(shè)中首座鋼管混凝土轉(zhuǎn)體拱橋，主橋結(jié)構(gòu)為上承式X形鋼管混凝土提籃拱，拱址中心跨度240 m。拱肋高5.7 m、寬3.0 m，每肋由4肢φ1 100×20mm鋼管構(gòu)成，其上下弦各由兩肢鋼管與其間的兩塊20mm厚鋼板連接成啞鈴型。從拱腳起縱橋向52m范圍內(nèi)為實(shí)腹段，實(shí)腹段的上弦管與下弦管之間通過(guò)鋼板連接形成，鋼板的厚度為16 mm，拱肋截面形式為箱形。西溪河大橋效果圖如圖1所示。

圖1 西溪河大橋效果圖

3 分析過(guò)程

3.1 基本假設(shè)

（1）混凝土與鋼管的粘結(jié)性良好，不會(huì)出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，混凝土和鋼管在荷載的作用下變形保持協(xié)調(diào)［7］。

（2）鋼管混凝土啞鈴型截面保持平截面假定，即截面形狀和面積在變形前后不會(huì)發(fā)生變化［8］。

（3）先前灌注的混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行后一批混凝土灌注，剛灌注的混凝土沒(méi)有剛度。

3.2 灌注順序的設(shè)定

西溪河大橋鋼管內(nèi)混凝土采用泵送頂升法進(jìn)行灌注，采用C50微膨脹混凝土，灌注體積總計(jì)為3 496 m3。其中：上弦管1 002m3（每條鋼管250.6m3，0.882 m3/m），下弦管 975.6 m3（每條鋼管 244 m3，0.882m3/m）；上弦蓋鈑409.2m3（每條蓋鈑204.6m3，0.737 m3/m），下弦蓋鈑 398 m3（每條蓋鈑 199 m3，0.737m3/m）；實(shí)腹板 711 m3（每條實(shí)腹板 88.9 m3，1.654 m3/m）。由于先期灌注的混凝土凝固需要一定時(shí)間，因此拱肋剛度是一個(gè)逐漸變大的過(guò)程［9］。

本文擬定了四種灌注順序，如表1所示，分別對(duì)這四種不同灌注順序下拱肋鋼管變形與應(yīng)力的變化特點(diǎn)進(jìn)行分析。為能對(duì)四種灌注順序進(jìn)行更好地說(shuō)明，將拱肋鋼管進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。

圖2 拱肋鋼管編號(hào)

表1 四種灌注順序

采用有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)每種灌注順序下拱肋鋼管的位移和應(yīng)力變化情況進(jìn)行仿真計(jì)算分析。由于拱肋管內(nèi)混凝土自開(kāi)始灌注到灌注完成的時(shí)間較短，混凝土收縮徐變效應(yīng)不明顯［10］，在計(jì)算分析中不考慮混凝土收縮徐變對(duì)拱肋鋼管位移和應(yīng)力造成的影響。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 灌注順序?qū)︿摴茏冃蔚挠绊?/h3>

分別取上外側(cè)管 L/8處、L/4處、3L/8處、L/2處在8個(gè)工況下的豎向累積位移量進(jìn)行分析。上外側(cè)鋼管各處的位移值及變化情況如表2～表5所示。

表2 灌注順序1下拱肋截面豎向位移 mm

表3 灌注順序2下拱肋截面豎向位移 mm

表4 灌注順序3下拱肋截面豎向位移 mm

表5 灌注順序4下拱肋截面豎向位移 mm

從表2～表5中可以看出，在混凝土灌注過(guò)程中自拱腳至拱頂?shù)奈灰屏恐饾u變大，拱頂處的位移最大。灌注順序3中拱頂?shù)淖罱K位移最大，數(shù)值為39.65mm；灌注順序4中拱頂?shù)淖罱K位移最小，數(shù)值為35.33 mm。兩者數(shù)值相差4.32mm。在4種灌注順序下拱頂變形過(guò)程中的最大位移值為47.19mm，小于48mm（L/5 000）。

為能更好地分析拱肋在混凝土灌注過(guò)程中的位移變化，繪制各個(gè)灌注順序下的拱肋位移變化曲線，見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 灌注順序1下的拱肋位移變化曲線

圖4 灌注順序2下的拱肋位移變化曲線

圖5 灌注順序3下的拱肋位移變化曲線

圖6 灌注順序4下的拱肋位移變化曲線

從圖3～圖6可以得出：拱肋各處的位移大致呈“凹”字形的形狀。隨著灌注階段的進(jìn)行，代表各個(gè)工況曲線的間距越來(lái)越小，即相鄰工況間的位移增量變小。這說(shuō)明先期灌入的混凝土不斷凝固，與鋼管拱肋形成聯(lián)和截面，剛度不斷增強(qiáng)，抵抗荷載和變形的能力也不斷增強(qiáng)［11］。在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土的灌注施工過(guò)程中，拱頂位移變化情況較復(fù)雜。灌注順序1中拱頂在前6個(gè)工況中位移的方向向下，在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)位移的方向向上，位移差值為5.4 mm，占總位移增量的14.2%。灌注順序2中拱頂在前6個(gè)工況中位移的方向向下，在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)位移的方向向上，位移差值為7.4 mm，占總位移量的19.2%。灌注順序3中拱頂在前6個(gè)工況中位移的方向向下，在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)位移的方向向上，位移差值為7.5 mm，占總位移量的19.1%。灌注順序4中拱頂位移的方向先向下，在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)位移的方向向上，最后方向又向下，位移差值為8.8 mm，占總位移量的24.9%。

4.2 灌注順序?qū)︿摴軕?yīng)力的影響

鋼管混凝土拱橋在灌注管內(nèi)混凝土期間，不同灌注順序下拱肋鋼管應(yīng)力的變化情況不同［12］。分別取拱肋拱腳處、L/4處、3L/8處和拱頂處的應(yīng)力進(jìn)行分析研究。不同灌注順序下拱肋鋼管應(yīng)力變化情況如圖7～圖10所示。

圖7 灌注順序1下鋼管應(yīng)力變化曲線

圖8 灌注順序2下鋼管應(yīng)力變化曲線

圖9 灌注順序3下鋼管應(yīng)力變化曲線

圖10 灌注順序4下鋼管應(yīng)力變化曲線

從圖7～圖10可以得出，隨著灌注階段的進(jìn)行，拱肋部分的應(yīng)力值不斷增大。拱頂處鋼管的應(yīng)力值最大，拱肋L/4處的應(yīng)力值較小。灌注順序1中拱頂應(yīng)力的最終值為-61.4 MPa，灌注順序2中拱頂應(yīng)力的最終值-67.4 MPa，灌注順序3中拱頂應(yīng)力的最終值為-65.3 MPa，灌注順序4中拱頂應(yīng)力的最終值為-57.7 MPa。拱頂處鋼管應(yīng)力在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)減小，應(yīng)力變化與其他灌注階段明顯不同。在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土的灌注時(shí)，灌注順序1中相鄰工況間的應(yīng)力差值為7.1 MPa；灌注順序2中相鄰工況間的應(yīng)力差值為8.7 MPa；灌注順序3中相鄰工況間的應(yīng)力差值為9.6 MPa；灌注順序4中相鄰工況間的應(yīng)力差值為11.2 MPa。

4.3 最優(yōu)灌注順序的確定

拱肋混凝土灌注順序的優(yōu)劣不能只把位移量最小和應(yīng)力值最小作為唯一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該綜合多方面的因素進(jìn)行考量。通過(guò)對(duì)不同灌注順序下的拱肋變形和應(yīng)力研究得出：在變形方面，判斷灌注順序優(yōu)劣的依據(jù)是拱頂在各個(gè)工況間的位移差值變化范圍小；在應(yīng)力方面，最優(yōu)的灌注順序就是使混凝土灌注過(guò)程中各個(gè)工況間的應(yīng)力差值變化范圍小。由以上分析可知，在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)，拱肋鋼管的位移和應(yīng)力的變化情況較其他工況要復(fù)雜。以腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)相鄰工況間的位移差值和應(yīng)力差值為例比較各灌注順序下的拱肋變形位移以及應(yīng)力變化如表6所示。

表6 各灌注順序下相鄰工況間位移及應(yīng)力差值

由表6可知：在進(jìn)行腹板內(nèi)混凝土灌注時(shí)不同灌注順序下相鄰工況間的拱肋鋼管位移差值和應(yīng)力差值均不同。四種灌注順序中拱肋拱頂在灌注順序1下的位移差值和應(yīng)力差值最小，說(shuō)明拱肋在混凝土灌注過(guò)程中的位移和應(yīng)力變化較平穩(wěn)，為最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同灌注順序下拱肋變形和鋼管應(yīng)力的變化情況進(jìn)行分析得出：

（1）不同灌注順序?qū)ο噜徆r間鋼管位移差值和應(yīng)力差值的變化影響不同，拱頂最大位移差值為17.5 mm，最小位移差值為5.43 mm；最大應(yīng)力差值為11.2 MPa，最小應(yīng)力差值為7.1 MPa。

（2）合理的灌注順序能夠使拱肋鋼管位移差值和應(yīng)力差值的變化范圍減小。灌注順序1中相鄰工況間鋼管位移差值和應(yīng)力差值最小，鋼管在混凝土灌注過(guò)程中位移和應(yīng)力變化平穩(wěn)，因此先弦管再綴板最后腹板的灌注順序最為合理。

（3）該橋在實(shí)際施工過(guò)程中采用灌注順序1進(jìn)行混凝土的灌注施工，拱肋整體受力性能良好。本文給出的研究方法可為今后同類(lèi)型混凝土灌注順序提供相關(guān)指導(dǎo)。