史永亮

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500）

1 工程概況

四川化成大橋是一座凈跨150 m、寬8 m的上承式鋼筋混凝土箱形拱橋，橋型立面見(jiàn)圖1。主拱圈成拱工藝按“有平衡重平轉(zhuǎn)施工”設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)出的半跨橋體為帶混凝土底板的小直徑鋼管混凝土勁性骨架。主孔為上承式勁性骨架鋼筋混凝土箱形拱橋，凈矢高18.75 m，凈矢跨比1/8，拱軸系數(shù)m為1.988，主拱圈為等截面懸鏈線(xiàn)單箱雙室箱形拱。轉(zhuǎn)動(dòng)體系立面構(gòu)造見(jiàn)圖2。

圖1 橋型立面（單位：m）

主拱圈箱寬7.5 m，高2.8 m，拱箱側(cè)腹板、中腹板中心線(xiàn)距離為3.4 m，頂、底板厚0.3 m，側(cè)腹板和中腹板厚0.38 m，每個(gè)室的四角設(shè)有0.5 m×0.2 m倒角。每排立柱下和每排立柱間（2道）設(shè)有拱箱橫隔板，橫隔板厚度為0.25 m。拱腳至第2道橫隔板長(zhǎng)度范圍內(nèi)（11.537 m）設(shè)置頂、底加厚段，頂、底板厚度由30 cm加厚至拱腳斷面的50 cm。勁性骨架橫剖面見(jiàn)圖3。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)體系立面構(gòu)造（單位：mm）

圖3 勁性骨架橫剖面（單位：mm）

本橋轉(zhuǎn)動(dòng)體系為鋼筋混凝土底板和勁性骨架（型鋼和鋼管組成的桁架結(jié)構(gòu)），是半跨鋼-混組合結(jié)構(gòu)的拱形空間網(wǎng)架。下弦為寬7.5 m、厚12 cm的鋼筋混凝土底板，上弦為3片?377×12 mm的鋼管混凝土桿件，腹桿為雙肢角鋼2∠110×10的平面桁架，桁架中心線(xiàn)距離為3.4 m，桁架的縱向節(jié)間距離約為2.4 m，腹桿、上平聯(lián)以及橫剖面上的橫向剪刀撐都用型鋼通過(guò)節(jié)點(diǎn)板聯(lián)結(jié)形成三角形。這種轉(zhuǎn)動(dòng)體系的特點(diǎn)是重量輕、剛度和強(qiáng)度大。

2 施工方案概述

在橋臺(tái)岸邊開(kāi)挖基礎(chǔ)、澆筑上下轉(zhuǎn)盤(pán)基礎(chǔ)混凝土和背墻混凝土；在橋兩岸合適的地段制作鋼骨架，預(yù)拼裝合格后運(yùn)送到拱圈模板支架上進(jìn)行鋼骨架的空間組裝；在拱圈支架模板上，澆筑12 cm厚的底板混凝土，形成“帶混凝土底板的小直徑鋼管混凝土勁性骨架”；當(dāng)背墻和底板混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，張拉脫架進(jìn)行平轉(zhuǎn)［1-3］。

轉(zhuǎn)體合龍成拱后，進(jìn)行無(wú)支架拱上加載施工，依次對(duì)稱(chēng)澆筑：鋼管內(nèi)混凝土→下腹板混凝土→上腹板混凝土→底板加厚混凝土→頂板混凝土，最后形成主拱圈。

3 轉(zhuǎn)體施工階段穩(wěn)定性分析

通過(guò)MIDAS/Civil有限元軟件對(duì)四川化成大橋施工各階段進(jìn)行特征值屈曲分析，根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)指導(dǎo)施工過(guò)程。在結(jié)構(gòu)脫離支架后進(jìn)行線(xiàn)性預(yù)測(cè)時(shí)，通過(guò)荷載等效的形式考慮錨板重量；做拱肋穩(wěn)定性分析時(shí)，采用固接的形式將拉鎖與錨固背墻端及拱腳處連接起來(lái)。忽略背墻的回彈效應(yīng)、不考慮材料非線(xiàn)性［4-6］。

采用板單元模擬不同厚度的拱肋側(cè)板、底板及隔板，采用梁?jiǎn)卧M等效的鋼筋、保險(xiǎn)墩及拉索。

將扣索連接于背墻端的邊界設(shè)置為固接，拱腳處亦設(shè)置為固接，略去背墻對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的影響，分析在設(shè)計(jì)尺寸下拱肋完全脫離支架時(shí)的穩(wěn)定情況。由計(jì)算可得，結(jié)構(gòu)在自重下的一階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為整體面內(nèi)失穩(wěn)，且在拱腳處局部有所變形，前5階失穩(wěn)模態(tài)中線(xiàn)彈性穩(wěn)定系數(shù)及一階失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)圖4和表1。

圖4 半拱階段一階失穩(wěn)模態(tài)

轉(zhuǎn)體前且脫離支架后，裸拱狀態(tài)下的特征值穩(wěn)定分析結(jié)果表明，該橋的一階失穩(wěn)模態(tài)為結(jié)構(gòu)整體面內(nèi)失穩(wěn)，拱腳局部側(cè)板發(fā)生了屈曲，這說(shuō)明該橋在該初始拉索力條件下的沒(méi)有發(fā)現(xiàn)平面外失穩(wěn)現(xiàn)象，相對(duì)與開(kāi)口薄壁轉(zhuǎn)體拱圈施工階段的面外失穩(wěn)的情況穩(wěn)定性要好很多。但局部屈曲失穩(wěn)仍然出現(xiàn)，應(yīng)引起足夠的重視。對(duì)于實(shí)橋的穩(wěn)定分析，只考慮一階失穩(wěn)的特征值及特征向量。

在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性的穩(wěn)定分析，得到的穩(wěn)定系數(shù)必然偏大。大跨度拱橋設(shè)計(jì)中常采用較大的穩(wěn)定系數(shù)，以保證施工安全和經(jīng)濟(jì)合理。本橋在脫離支架后，施工階段的線(xiàn)彈性穩(wěn)定安全系數(shù)為10.5。為了切實(shí)保證局部失穩(wěn)不優(yōu)先發(fā)生，應(yīng)重視對(duì)箱的拱腳部位構(gòu)造的設(shè)計(jì)。同時(shí)此結(jié)構(gòu)相對(duì)于開(kāi)口薄壁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要高［7-9］。

表1 線(xiàn)彈性穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)描述

4 勁性骨架合龍成拱后穩(wěn)定性分析

4.1 二期混凝土澆筑順序分析

拱肋轉(zhuǎn)體施工合龍后，澆筑二期混凝土腹板及底板的加厚層，現(xiàn)澆混凝土尚未硬化之前，其增加的重量增加了結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的可能性。

勁性骨架拱圈合龍后，二期混凝土澆筑的順序不同，將對(duì)拱圈的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，將從3種情況進(jìn)行分析：先澆筑鋼管內(nèi)混凝土（工況1）；腹板分上下腹板澆筑，先澆筑下腹板混凝土（工況2）；先澆筑底板加厚混凝土（工況3）［10］。

分析合龍后的勁性骨架在上述3種情況的一階失穩(wěn)模態(tài)及穩(wěn)定安全系數(shù)，見(jiàn)表2，工況1一階失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)圖5。

表2 穩(wěn)定系數(shù)與失穩(wěn)模態(tài)

圖5 合龍后勁性骨架工況1一階失穩(wěn)模態(tài)

由表2可知，在勁性骨架拱圈合龍后，先澆筑鋼管內(nèi)混凝土對(duì)整個(gè)拱圈的穩(wěn)定性影響較小，澆筑底板加厚混凝土穩(wěn)定性影響較大，宜先澆筑鋼管內(nèi)混凝土。

4.2 不同工況下的穩(wěn)定安全性分析

二期混凝土先澆筑鋼管內(nèi)混凝土，后澆筑腹板和底板加厚混凝土，按照此順序可分為6個(gè)施工階段：勁性骨架合龍（階段1）→澆筑鋼管內(nèi)混凝土（階段2）→澆筑下腹板混凝土（階段3）→澆筑上腹板混凝土（階段4）→澆筑底板加厚混凝土（階段5）→澆筑頂板混凝土（階段6）。

結(jié)構(gòu)的屈曲分析按照上述6種施工階段進(jìn)行討論，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)

由前文分析可知，拱腳勁性骨架局部失穩(wěn)是二期混凝土澆筑完成前結(jié)構(gòu)的主要失穩(wěn)模態(tài)。由表3可知，當(dāng)勁性骨架合龍后，整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)已提高到了25.2，且失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為整體面內(nèi)豎彎失穩(wěn)；最不利工況發(fā)生在澆筑混凝土上腹板階段，穩(wěn)定安全系數(shù)為15.4。拱圈由于新澆筑的混凝土尚未提供剛度，致使拱圈的局部受載過(guò)大，當(dāng)新澆筑的混凝土達(dá)到一定齡期后可以提供相應(yīng)的強(qiáng)度，此時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能又得到了提高，所以，需要特別注意混凝土澆筑順序與澆筑量。由其他工況的失穩(wěn)模態(tài)可以看出，隨著拱圈的頂?shù)装寤炷林饾u澆筑變厚，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于澆筑腹板時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)。

5 成橋階段穩(wěn)定性分析

勁性骨架主拱圈采用板單元和梁?jiǎn)卧M合，立柱和T梁采用梁?jiǎn)卧?，其中拱圈?nèi)鋼筋籠和拱頂空腹段區(qū)域無(wú)法模擬結(jié)構(gòu)采用外部荷載加載，拱圈頂部橋面采用虛擬橋面模擬，便于二期恒載和汽車(chē)荷載的加載。

MIDAS/Civil軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，不容許將屈曲分析與移動(dòng)荷載分析同時(shí)進(jìn)行，故需要通過(guò)等效的方式將移動(dòng)荷載以最不利的方式按照靜力的形式施加在模型上，從而形成用于分析的確定荷載矩陣。

活載考慮以下工況：①結(jié)構(gòu)自重+二期恒載（僅主拱圈）；②結(jié)構(gòu)自重+二期恒載（含拱上建筑）；③結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+拱腳截面彎矩最不利工況；④結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+1/8截面彎矩最不利工況；⑤結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+1/4截面彎矩最不利工況；⑥結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+3/4截面彎矩最不利工況；⑦結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+拱頂截面彎矩最不利工況。

恒載+活載作用下的勁性骨架主拱圈穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)表4及圖6。

表4 恒載+活載作用下勁性骨架主拱圈的穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)

圖6 恒載+活載作用下的勁性骨架主拱圈失穩(wěn)模態(tài)

由表4可知，不同工況下的一階穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，滿(mǎn)足JTG/T D65?06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》要求［11］，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。將二期混凝土是否提供剛度作為2種情況分析：1）當(dāng)拱上建筑與主拱圈尚未共同工作時(shí)，主拱圈上僅僅是增加了額外的荷載，此時(shí)拱圈穩(wěn)定安全系數(shù)為23.77，失穩(wěn)模態(tài)為面內(nèi)失穩(wěn)；2）當(dāng)拱上建筑與主拱圈共同工作時(shí)，此時(shí)拱圈穩(wěn)定安全系數(shù)為21.18，失穩(wěn)模態(tài)亦為面內(nèi)失穩(wěn)，由此可知，拱上建筑削弱了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，數(shù)值變化量為2.59。在考慮活載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)最低穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)在工況②，即拱腳截面彎矩最不利情況，此時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)為19.57，對(duì)比工況①與其他工況結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)，活載對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)有一定的影響。

6 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)體施工階段自重荷載穩(wěn)定性研究表明，結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)基本以局部失穩(wěn)引起平面內(nèi)失穩(wěn)為主，局部失穩(wěn)容易發(fā)生在拱腳加勁骨架附近，宜對(duì)拱腳加勁骨架進(jìn)行加固處理。

2）拱肋合龍后，通過(guò)對(duì)澆筑二期混凝土不同工況的穩(wěn)定性能分析，發(fā)現(xiàn)最不利工況發(fā)生在澆筑混凝土腹板階段。拱圈由于新澆筑的混凝土尚未提供剛度，致使拱圈的局部受載過(guò)大，在澆筑腹板混凝土?xí)r，應(yīng)當(dāng)分層澆筑，適當(dāng)減緩施工速度，待新澆筑的混凝土有一定的剛度后再繼續(xù)澆筑。

3）在成橋階段分析時(shí)，拱上建筑和主拱圈聯(lián)合作用對(duì)主拱圈的穩(wěn)定起到削弱作用，同時(shí)汽車(chē)活載對(duì)穩(wěn)定性也有一定的影響。

因此，在轉(zhuǎn)體施工階段及合龍后二期荷載澆筑階段，施工中要加強(qiáng)監(jiān)控拱腳位置的勁性骨架出現(xiàn)局部失穩(wěn)的可能性。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，正確的施工澆筑過(guò)程及構(gòu)造措施可避免局部屈曲的出現(xiàn)。